電気エネルギーは輸送性、利便性が特に高いことから、電力系統という広域ネットワークを形成し、広く社会に浸透している。エネルギー創造の分野では、低環境負荷化や石油・石炭に代表される化石燃料への依存度の低減に向けて、太陽光、風力の利用に関する研究開発が進んできており、またエネルギー消費の分野においても、例えばガソリン・ディーゼル車から電気自動車へなど、電気エネルギーの利用がますます増えている。特に2017年は、電気自動車の開発に向け大きく進展する年となった。世界最大の自動車市場である中国は、大気汚染対策もあってハイブリッド車を飛び越えて電気自動車シフトへ舵を切った。フランスでは、2040年までに国内でのガソリン・ディーゼル車の販売を禁止する方針が示され、ノルウェーに至っては2025年までに全車を電気自動車に切り換えると打ち出した。これに伴い、日本、ヨーロッパ、アメリカ、さらには中国メーカーまでもが電気自動車開発に大きくシフトし始めることとなった。このように、今後も電気エネルギーすなわち電力への依存度は堅調に上昇し、将来的にも電力がエネルギーの中核をなすものと考えられる。われわれの明日の社会が持続可能な発展を遂げるためには、この電力エネルギーを効率よく利用することが必須であり、それを支える最も大きな技術のひとつがパワーエレクトロニクスである。
パワーエレクトロニクスとは、エレクトロニクスで電力を効率的に制御する技術のことである。具体的にはパワーデバイスを用いて電力を制御し、より使いやすい形に高効率で変換する技術である。パワーエレクトロニクスによる電力制御は、パワーデバイスによる低抵抗・高速スイッチング技術によって成り立っており、パワーデバイスの性能が電力制御の性能を左右すると言っても過言ではない。現在のパワーエレクトロニクスはシリコンパワーデバイスがその中心であるが、近年ではシリコンの物性値で決まる限界に近づいてきたと言われており、今後のパワーエレクトロニクス装置の高性能化に必ずしも対応しないのではないか、との懸念も示されている。
この状況を打破する次世代素子として、SiC/GaNパワーデバイスが大いに期待されている。そしてその一部は、すでに電源分野や家電さらには電鉄分野などに適用され始めている。しかしながら、性能、信頼性、さらには価格の面で市場の要求に十分応えられているとは言えない状況にある。
本書『SiC/GaNパワーエレクトロニクス普及のポイント』では、近い将来のパワーエレクトロニクスの主役となるSiC/GaNパワーデバイスを広く市場に普及するためのポイントは何か、を軸に編集された。デバイス・プロセス技術、実装・応用回路技術だけでなく、自動車・太陽光発電用途での課題と対策、受動部品さらには規格や国際標準化についても詳細に紹介している。さらには今後のパワーデバイスの市場動向についてまで詳しく解説しており幅広い内容を網羅することができた。環境にやさしく、かつ高効率な電力利用社会の本格的な実現に向けて、SiC/GaNパワーデバイスの浸透を加速するには今後何をすべきかに、本書が役立つことを大いに期待したい。(岩室憲幸「はじめに」)
第1章 SiCパワーエレクトロニクス普及におけるデバイス・材料の課題と展望
1. パワーエレクトロニクス装置の性能向上
2. シリコンIGBT開発の歴史に見るパワー半導体デバイス開発のポイント
3. SiC半導体材料ならびにデバイスの特徴
3.1 SiC結晶成長
3.2 ユニポーラデバイスとバイポーラデバイス
3.3 SiCパワー半導体デバイスの素子作成プロセスの特徴
4. SiCショットキーバリアダイオード(SiC-SBD)
5. SiC-MOSFETデバイスの最新技術
6. SiC-MOSFETモジュールの実装技術
7. 超高耐圧SiC-IGBTの開発状況
8. まとめ
第2章 GaNパワーエレクトロニクス普及におけるデバイス・材料の課題と展望
1. はじめに
2. GaN研究開発の歴史
3. GaN横型パワーデバイス
4. GaN縦型パワーデバイス
4.1 デバイス構造
4.2 技術的課題
4.2.1 基板
4.2.2 ドリフト層エピタキシャル成長
4.2.3 イオン注入
4.2.4 MOSチャネル
4.2.5 HEMT構造縦型
4.3 今後の展開
5. おわりに
第3章 Siパワーデバイスの最新技術とSiCパワーデバイス普及の課題
1. はじめに
2. パワーデバイスの歴史
3. Siパワーデバイスの現状
4. Siパワーデバイスの高性能化の取り組み
4.1 MOSFETのSJ化
4.2 IGBTの薄板化
4.3 キャリア分布の改善
4.4 デバイスの複合化
4.5 宇宙線破壊現象
4.6 パッケージング技術
5. Siパワーデバイスの今後の展望
6. SiCパワーデバイスの普及の現状
6.1 SiCダイオード
6.2 SiCトランジスタ
7. SiCパワーデバイス普及の課題
7.1 MOSFETの低オン抵抗化
7.2 MOSFETのボディーダイオードの活用
7.3 低インダクタンス,高信頼モジュール
7.4 PE機器応用におけるコストメリットの明確化
8. SiCパワーデバイスの今後の展望
9. まとめ(パワーデバイスの目指すべき方向)
第4章 GaNパワーデバイスとSiCパワーデバイスの実用化・普及展望の比較
1. はじめに
2. GaN・SiCパワーデバイスの応用分野
3. GaNパワーデバイス開発の現状
4. GaNパワーデバイスのスイッチング回路応用
5. SiCパワーデバイス開発の現状
6. SiCパワーデバイスのスイッチング回路応用
7. まとめ
第5章 SiC/GaNパワーエレクトロニクスにおける電磁ノイズ発生の特徴と対策
1. スイッチング動作とノイズ
2. 電力変換回路内部における寄生インダクタンス
2.1 寄生インダクタンス
2.2 寄生インダクタンス設計手法
2.3 寄生インダクタンスの上下限値
2.4 寄生インダクタンス解析手法
3. 寄生インダクタンス設計手法
3.1 配線構造とインダクタンスの関係
3.2 寄生インダクタンス規格化
3.3 規格化インピーダンス実験検証
3.4 規格化インピーダンスを用いたインダクタンス設計手法
4. スイッチングに起因する電磁ノイズ
5. まとめ
第6章 SiC/GaNパワーデバイスの接合技術
1. ダイアタッチ
2. 鉛フリー高温はんだ
3. TLP接合
4. 焼結接合
5. 固相接合とストレスマイグレーション接合
6. これから
第7章 SiC/GaNパワーデバイス実装材料の課題と対策
1. パワーデバイスと実装技術動向
2. パワーモジュール実装材料評価用プラットフォーム
3. 封止材料
4. SiCパワーモジュール用実装材料評価
5. 材料評価の課題と対策
第8章 Siパワーデバイス冷却技術の現状とSiC/GaNパワーデバイスの冷却技術
1. はじめに
2. パワー半導体の冷却における留意点
3. パワー半導体の冷却構造
4. 「冷却」から見た次世代パワー半導体
5. 次世代半導体の課題
5.1 高温動作への対応
5.2 発熱密度増大への対応
6. 次世代パワー半導体の冷却の考え方
6.1 次世代半導体冷却への適用が期待される技術
6.1.1 熱伝導経路の進化:直冷式冷却器
6.1.2 熱伝達の進化:液冷用高性能フィン
7. 高温動作実現のために望まれる材料開発
7.1 次世代高機能材料
第9章 SiC/GaNパワーエレクトロニクス用の材料・部品の課題と対策の方向性
1. はじめに
2. 先進パワーモジュール用の材料・部品の課題
2.1 パワーモジュールの構造
2.2 絶縁材料
2.3 メタライズドセラミック基板
2.4 配線材料・接合材料
2.5 受動部品
2.6 絶縁部品
2.7 保護回路用部品
3. パワー回路用の材料・部品の課題
3.1 バスバー
3.2 フィルタ用受動部品
3.3 制御回路
3.4 冷却機構
4. おわりに
第10章 SiC/GaNパワーエレクトロニクスにおけるトランス・リアクトルの課題と対策
1. はじめに
2. トランス・リアクトルの体積とコストについて
3. トランス・リアクトルの損失について(損失種類、損失解析の実際)
3.1 鉄損
3.2 渦電流損失
4. コアのフリンジング効果について
5. パワー形のコアについて
6. 高周波スイッチング時の銅線について
7. 高周波とリッツ線について
8. ソフトサチュレーションと回路方式について(ダストコアの場合の逆利用)
9. 高周波化におけるフライバックトランスの構造対策
第11章 自動車へのSiCパワーデバイス適用の課題と対策
1. はじめに
2. HV・EVにおけるSiCパワーデバイス導入に対する期待
3. 車載用SiCパワーデバイスの現状
4. 信頼性課題への対応
4.1 絶縁破壊寿命の向上
4.1.1 平坦化加工による寿命向上
4.1.2 CDEによるトレンチゲートの寿命向上
4.2 しきい値電圧シフトの対策状況
4.2.1 正バイアス
4.2.2 負バイアス
4.3 積層欠陥の拡張に伴う順方向電圧(Vf)劣化の対策状況
5. おわりに
第12章 SiC/GaNパワーデバイスの規格・国際標準化における課題と展望
1. はじめに
2. SiCウェハ規格(SEMI)
3. SiCエピ膜評価法(IEC)
4. 化合物パワー半導体信頼性技術WG(JEITA)
5. まとめ
第13章 パワー半導体の市場ならびにSiC・GaNデバイス普及の展望
1. はじめに
2. パワー半導体市場の変化
3. SiC・GaNパワー半導体の市場動向
