SiC（シリコンカーバイド）パワー半導体は、シリコンベースのパワー半導体に比べ、スイッチング周波数、損失、放熱性、小型化などの面で大きな利点があります。
テスラによるシリコンカーバイドインバーターの大量生産に伴い、より多くの企業もシリコンカーバイド製品の導入を開始しています。
SiCってこんなに「すごい」！一体どうやって作られたの？今、どんな用途があるの？さあ見てみよう！
01 ☆ SiCの誕生
他のパワー半導体と同様に、SiC-MOSFET産業チェーンには以下が含まれます。長い結晶 – 基板 – エピタキシー – 設計 – 製造 – パッケージングのリンク。
ロングクリスタル
長い結晶リンクの間に、単結晶シリコンで使用されるティラ法の製造とは異なり、シリコンカーバイドは主に物理ガス輸送法（PVT、改良Llyまたは種結晶昇華法とも呼ばれる）を採用し、高温化学ガス堆積法（HTCVD）を補足します。
☆ コアステップ
1.炭酸固体原料。
2. 加熱後、炭化物固体はガスになります。
3. ガスが種結晶の表面に移動する。
4. ガスが種結晶の表面で結晶に成長します。
画像出典：「PVT成長シリコンカーバイドを分解する技術的ポイント」
異なる職人技により、シリコンベースと比較して 2 つの大きな欠点が生じます。
まず、生産が難しく、収量も低いです。炭素系ガス相の温度は2300℃を超え、圧力は350MPaに達する。暗箱全体を加熱すると不純物が混入しやすくなるため、収率はシリコン系よりも低くなる。直径が大きいほど、収率は低くなる。
2つ目は、成長が遅いことです。PVT法のガバナンスは非常に遅く、速度は約0.3～0.5mm/hで、7日間で2cmしか成長しません。最大でも3～5cmしか成長せず、結晶インゴットの直径は主に4インチと6インチです。
シリコンベースの 72H は高さ 2 ～ 3 メートルまで成長し、直径は主に 6 インチと 8 インチですが、新たに 12 インチの生産能力も備えています。そのため、炭化ケイ素は結晶インゴットと呼ばれることが多く、シリコンは結晶棒になります。
炭化シリコン結晶インゴット
基板
長尺結晶が完成すると、基板の製造工程に入ります。
目的の切断、研削（粗研削、精研削）、研磨（機械研磨）、超精密研磨（化学機械研磨）を経て、炭化ケイ素基板が得られる。
基板は主に物理的サポート、熱伝導性、伝導性の役割。加工の難しさは、炭化ケイ素（SiC）材料が高強度で、サクサクしており、化学的性質が安定していることです。そのため、従来のシリコンベースの加工方法はSiC基板には適していません。
切削効果の良否はシリコンカーバイド製品の性能と利用効率（コスト）に直接影響するため、小さく、厚さが均一で、切削性が低いことが求められます。
現在のところ、4インチと6インチは主にマルチライン切断装置を使用します。シリコン結晶を1mm以下の厚さの薄いスライスに切断します。
複数線切断概略図
今後、炭化シリコンウェーハの大型化に伴い、材料利用率の向上の要求が高まり、レーザースライスや冷間分離などの技術も徐々に適用されるようになるでしょう。
2018年、インフィニオンはコールドクラッキングと呼ばれる革新的なプロセスを開発したSiltectra GmbHを買収しました。
従来のマルチワイヤー切断工程の損失が1/4であるのに対し、冷間分解プロセスでは、炭化ケイ素材料の 1/8 しか失われませんでした。
拡大
シリコンカーバイド材料は基板上に直接パワーデバイスを作ることができないため、拡張層に様々なデバイスが必要となります。
したがって、基板の製造が完了した後、延伸工程を経て基板上に特定の単結晶薄膜を成長させる。
現在は化学ガス蒸着法（CVD）プロセスが主に使用されています。
デザイン
基板が製作された後、製品設計段階に入ります。
MOSFETの場合、設計プロセスの焦点は溝の設計です。特許侵害を避けるため（インフィニオン、ローム、STなどは特許レイアウトを持っている）、そして一方で製造可能性と製造コストを満たす。
ウェーハ製造
製品設計が完了すると、ウェハ製造段階に入り、そのプロセスはシリコンの場合とほぼ同様で、主に以下の 5 つのステップがあります。
☆ステップ1：マスクを注入する
シリコン酸化膜（SiO2）層を作り、フォトレジストを塗布し、均質化、露光、現像などの工程を経てフォトレジストパターンを形成し、エッチング工程を経て酸化膜に図形を転写します。
☆ステップ2：イオン注入
マスクされたシリコンカーバイドウェハーはイオン注入装置内に配置され、アルミニウムイオンが注入されて P 型ドーピングゾーンが形成され、注入されたアルミニウムイオンを活性化するためにアニールされます。
酸化膜を除去し、P型ドーピング領域の特定領域に窒素イオンを注入してドレインおよびソースのN型導電領域を形成し、注入した窒素イオンをアニールして活性化する。
☆ステップ3：グリッドを作る
グリッドを作成します。ソースとドレイン間の領域では、高温酸化プロセスによってゲート酸化膜を準備し、ゲート電極層を堆積してゲート制御構造を形成します。
☆ステップ4：パッシベーション層の作成
パッシベーション層を形成します。電極間の絶縁破壊を防止するため、絶縁性に優れたパッシベーション層を成膜します。
☆ステップ5：ドレイン・ソース電極を作る
ドレインとソースを作ります。パッシベーション層に穴を開け、金属をスパッタリングしてドレインとソースを形成します。
写真出典：新西首都圏
プロセスレベルとシリコンベースの間にはほとんど違いはありませんが、炭化ケイ素材料の特性により、イオン注入とアニールは高温環境で行う必要がある（1600℃まで）、高温は材料自体の格子構造に影響を与え、難しさは収量にも影響します。
さらに、MOSFET部品については、ゲート酸素の品質はチャネル移動度とゲート信頼性に直接影響します。炭化ケイ素材料には 2 種類のシリコン原子と炭素原子が含まれているためです。
そのため、特殊なゲート媒体の成長方法が必要となります（もう一つのポイントは、シリコンカーバイドシートが透明であり、フォトリソグラフィー段階での位置合わせがシリコンに対して難しいことです）。
ウェハ製造が完了した後、個々のチップはベアチップに切断され、用途に応じてパッケージングされます。ディスクリートデバイスでは、TOパッケージが一般的なプロセスです。
TO-247パッケージの650V CoolSiC™ MOSFET
写真: インフィニオン
自動車分野では、電力と放熱の要件が高く、ブリッジ回路（ハーフブリッジまたはフルブリッジ、あるいはダイオードとの直接パッケージ）を直接構築する必要がある場合もあります。
そのため、モジュールやシステムに直接パッケージ化されることが多いです。モジュールにパッケージ化されるチップの数に応じて、1 in 1（BorgWarner）、6 in 1（Infineon）などが一般的ですが、一部の企業では単管並列方式を採用しています。
ボルグワーナー・バイパー
両面水冷とSiC-MOSFETをサポート
インフィニオン CoolSiC™ MOSFET モジュール
シリコンとは異なり、シリコンカーバイドモジュールは約 200 °C の高温で動作します。
従来の軟質はんだは融点が低いため、温度要件を満たすことができません。そのため、炭化ケイ素モジュールでは、低温銀焼結溶接プロセスがしばしば採用されています。
モジュールが完成したら、部品システムに適用することができます。
テスラ モデル3 モーター コントローラー
ベアチップはST製、パッケージと電動駆動システムは自社開発
☆02 SiCの応用状況は？
自動車分野では、パワーデバイスは主にDCDC、OBC、モーターインバーター、電動エアコンインバーター、ワイヤレス充電などの部品AC/DC 高速変換を必要とするもの (DCDC は主に高速スイッチとして機能します)。
写真: ボルグワーナー
シリコンベースの材料と比較して、SIC材料は臨界雪崩破壊電界強度（3×106V/cm）熱伝導率の向上（49W/mK）およびより広いバンドギャップ（3.26eV）。
バンドギャップが広いほど、リーク電流は小さくなり、効率は高くなります。熱伝導率が高いほど、電流密度は高くなります。臨界アバランシェブレークダウン電界が強いほど、デバイスの耐電圧は向上します。
したがって、オンボードの高電圧分野では、既存のシリコンベースのIGBTとFRDの組み合わせを置き換えるためにシリコンカーバイド材料で作られたMOSFETとSBDは、電力と効率を効果的に向上させることができます。特に高周波アプリケーションのシナリオではスイッチング損失を削減します。
現時点では、モーターインバーターでの大規模アプリケーションが実現する可能性が最も高く、次いで OBC、DCDC となっています。
800V電圧プラットフォーム
800V電圧プラットフォームでは、高周波の利点により、企業はSiC-MOSFETソリューションを選択する傾向が強まっています。そのため、現在多くの800V電子制御製品ではSiC-MOSFETが採用されています。
プラットフォームレベルの計画には以下が含まれます最新の E-GMP、GM Otenergy - ピックアップ フィールド、ポルシェ PPE、およびテスラ EPA。SiC-MOSFET を明示的に搭載していないポルシェ PPE プラットフォーム モデル (最初のモデルはシリカベースの IGBT) を除き、他の車両プラットフォームでは SiC-MOSFET 方式が採用されています。
ユニバーサルウルトラエネルギープラットフォーム
800Vモデル計画は、万里の長城サロンブランド嘉吉栄、北汽極フォックスS HIバージョン、理想車S01とW01、小鵬G9、BMW NK1長安アビタE11は800Vプラットフォームを搭載すると発表しており、BYD、藍図、広汽安、メルセデス・ベンツ、零潤、一汽紅旗に加え、フォルクスワーゲンも800V技術を研究中であると発表した。
ティア1サプライヤーが獲得した800Vの受注状況から、ボルグワーナー、ワイパイテクノロジー、ZF、ユナイテッドエレクトロニクス、フイチュアンすべて800V電気駆動の注文を発表しました。
400V電圧プラットフォーム
400V 電圧プラットフォームでは、SiC-MOSFET は主に高電力と電力密度、高効率を考慮しています。
現在量産されているテスラ モデル3Yモーターと同様に、BYD Hanhouモーターのピーク出力は約200Kw（テスラは202Kw、194Kw、220Kw、BYDは180Kw）です。NIOもET7および後述のET5以降のSiC-MOSFET製品を採用する予定です。ピーク出力は240Kw（ET5は210Kw）です。
さらに、高効率の観点から、一部の企業は補助フラッディングSiC-MOSFET製品の実現可能性も模索しています。
投稿日時: 2023年7月8日
