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低オン抵抗と高信頼性を両立したショットキーバリアダイオード内蔵SiC MOSFETを開発

2022年12月9日

東芝デバイス&ストレージ株式会社
株式会社東芝

東芝デバイス&ストレージ株式会社(以下、東芝デバイス&ストレージ)と株式会社東芝(以下、東芝)は、低オン抵抗と高信頼性を両立したSiC(炭化ケイ素) MOSFET注1を開発しました。内蔵されているショットキーバリアダイオード(SBD)の配置を市松模様配置に変更した新たなデバイス構造とすることで、高い信頼性を維持しながら当社従来製品と比較してオン抵抗注2(RonA)を約20%低減できることを確認しました注3

電力を供給、制御する役目を果たすパワー半導体は、あらゆる電気機器の省エネルギー化やカーボンニュートラルの実現に不可欠な半導体であり、自動車の電動化や産業機器の小型化などを背景に、今後も継続的な需要拡大が見込まれています。SiCは、従来のシリコンよりも高耐圧、低損失化が可能な次世代のパワー半導体材料として注目されていますが、SiC MOSFETは逆導通動作時にボディダイオードがバイポーラ通電すると、オン抵抗が劣化することが信頼性の課題となっています。東芝デバイス&ストレージでは、MOSFETチップ上にSBDを内蔵することで、ボディダイオードが動作しないよう対策したデバイス構造を採用しています。しかしながら、内蔵SBDがチップ面積の一部を占有することは、MOSFETのオン動作の抵抗を決めるチャネル領域の面積を減少させ、チップのオン抵抗の上昇に直結します。今回、飛躍的な特性改善を狙い、内蔵SBDの配置を変更することで、これらの相反する課題を解決するとともに、特性向上の効果を実証しました。

具体的には、SBD内蔵SiC MOSFETの導通損失低減とダイオード通電信頼性向上の両立を目的として、SBD配置を従来のストライプ配置から市松模様配置に変更した新たなデバイス構造を提案し、1.2 kV級耐圧素子試作による改善効果の確認を行いました。市松模様状に配置した内蔵SBDがボディダイオードに近接することで、効果的にボディダイオードのバイポーラ通電を抑制し、従来のストライプSBD配置と比較して同じSBD搭載面積でも2倍の電流範囲までユニポーラ動作の上限が向上しました。また、SBDストライプを廃止したことでチャネル密度が向上し、当社従来製品と比較して約20%低い2.7 mΩcm2の低オン抵抗を同時に実現しました。今回実証されたトレードオフ関係の改善は、特にモーター制御用インバーターでのSiC MOSFET使用において重要です。今後、動特性や信頼性の確認と並行して、さらなる特性改善に向けた検討を進めるとともに、ユーザーがより使いやすく、高性能なパワー半導体を提供することで、脱炭素社会の実現を目指します。

東芝デバイス&ストレージと東芝は、本技術の詳細を、12月3〜7日に米国サンフランシスコで開催されたパワー半導体の国際学会「68th Annual IEEE International Electron Devices Meeting」で発表しました。

注1 MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金属酸化膜半導体電界効果トランジスター)の略で、トランジスターの構造の一種。
注2 オン抵抗:MOSFETが動作している時のドレイン・ソース間の抵抗値。
注3 2022年11月現在、当社調べ。

今回開発した市松模様SBD配置型SBD内蔵MOSFETの模式図

これは、今回開発した市松模様SBD配置型SBD内蔵MOSFETの模式図の画像です。

1200V耐圧級 SiC MOSFETの特性トレードオフ関係

これは、1200V耐圧級 SiC MOSFETの特性トレードオフ関係の画像です。

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