SIC를 사용하여 차세대 트랜지스터 바카라 커뮤니티 개발

국립 연구 개발 기관, 국가 선진 산업 과학 및 기술 연구소 [Nakabachi Ryoji 의장 Nakabachi Ryoji] (이하 "바카라 커뮤니티"라고 불림) 고급 전력 전자 연구 센터 [Okumura, 전 이사 인 Okumura] SIC 장치 팀 Harada Shinsuke, Loite Electric Co Electric Industries, Toyota Motor Corporation, Toshiba 및 Mitsubishi Electric Co, Ltd실리콘 카바이드 (sic)12 kV 견고 견고 (내압 전압) 반도체를 사용한 클래스수직 슈퍼 접합 (SJ) MOSFET, 세계에서 가장 작은 SIC 트랜지스터온 저항달성되었습니다 또한, 개발 된 SJ-MOSFET는 고온 특성이 높으며 실제적인 사용에 중요합니다Dynamics그것이 우월하다는 것을 입증했습니다

반복적 인 N 형 기둥과 P 형 기둥으로 구성된 SJ 구조는 실리콘 (SI) 트랜지스터의 저항성을 감소시키는 것으로 입증되었지만 SIC 트랜지스터에 적용하는 것은 SJ 구조를 제조하기가 어렵 기 때문에 진행되지 않았다 이번에는 바카라 커뮤니티의 독점적 SIC 트랜지스터 제조 기술이 적용되어 좁은 피치에서 제어 가능성을 갖는 SJ 구조를 형성했습니다 이것은 좁은 피치와 낮은 저항을 허용합니다트렌치 게이트 타입 MOSFET| 달성되었고 12kV 전압 저항 클래스에서 Sic-Mosfet의 저항성이 크게 감소되었습니다 SIC는 미래에 사용될 것으로 예상되며 전기 자동차 전력 시스템의 추가 소형화 및 효율성, 새로운 전력 시스템의 생성에 기여할 것으로 예상됩니다

이 업적에 대한 자세한 내용은 미국 샌프란시스코에서 열린 국제 회의 IEDM 2018을 참조하십시오 (IEEE 국제 전자 장치 회의)에 발표되었습니다

이번에 개발 된 두 가지 유형의 Sic 트렌치 게이트 유형 SJ-Mosfets

에너지의 효과적인 사용을 촉진하고 저탄소 사회를 실현하기 위해서는 전력 변환 (DC/AC 변환, 전압 변환) 및 제어, 효율성 증가, 소형화, 중량 및 전력 전자 전력 장비의 기능을 발전시켜야 할 필요가 있습니다 이는 전력 반도체 장치 (전원 장치)의 성능에 크게 의존하지만 기존 SI 전원 장치는 SI의 물리적 특성에 의해 결정된 이론적 한계에 접근하고 있습니다

SIC에는 전력 장치의 소형화 및 고효율에 유리한 물리적 특성이 있으며 차세대 전원 장치의 유망한 재료가 될 것으로 예상됩니다 최근 몇 년 동안 SIC 전원 장치가 장착 된 장비가 실질적으로 사용되기 시작했으며, 연구 단계는 성능이 더욱 향상되기 위해 차세대 전력 장치 바카라 커뮤니티를 개발하는 데 전환하고 있습니다

바카라 커뮤니티는 전력 전자 장치를 개방형 혁신 허브 인 TIA의 전략적 연구 영역 중 하나로 배치했으며 SIC 전력 장치를위한 대량 생산 프로토 타입 라인을 설립했으며 Tsukuba Power Electronics Constrellation (TPEC), 개인 공동 연구 그룹 인 TPEC (Tsukuba Power Electronics Constellation)를 시작했으며 SIC 전력 사료를위한 대중 생산 기술 개발에 대한 공동 연구를 촉진했습니다 지금까지 Fuji Electric Co, Ltd와의 공동 연구를 통해일반 게이트 MOSFETie-mosfet및 트렌치 게이트 MOSFETie-umosfet대량 생산 프로토 타입을 개발하고 시연했습니다 Sumitomo Electric Industries, Ltd와의 공동 연구에서 Sumitomo Electric Industries, Ltd에서 개발 한 트렌치 게이트 유형 MOSFET입니다vmosfet의 대량 생산 프로토 타입을 시연했습니다

이번에는 Fuji Electric Co, Ltd, Sumitomo Electric Industries, Ltd, Toyota Motor Corporation, Toshiba Corporation 및 Mitsubishi Electric Co, Ltd와 협력하여 12 kv-resistance의 목표를 가진 트렌치 게이트 유형 SJ-Mosfet을 개발하여 12 KV-Resistance를 통해 트렌치 게이트 유형 SJ-Mosfet을 개발했습니다 하이브리드 전기 자동차/전기 자동차의 전력 변환 시스템에 사용됩니다

그림 1은 다양한 Sic-mosfet의 단면 바카라 커뮤니티를 보여줍니다 평면 게이트 유형 MOSFET의 저항은 게이트 산화물 필름과 반도체 사이의 인터페이스 (MOS 인터페이스)의 결함 (MOS 인터페이스)으로 인해 큰 채널 저항에 의해 지배되며, 셀 피치를 좁히고 채널 밀도를 증가시키는 바카라 커뮤니티 설계에 중점을두고, MOS 인터페이스에서 결함을 줄이는 공정 개발에 중점을 둡니다 최근에는 트렌치 게이트 MOSFET가 낮은 저항성을 달성하는 것으로 실현되었으며, 저항성을 더욱 줄이기 위해 전압 방지 층으로 사용되는 드리프트 층의 SJ 바카라 커뮤니티는 SI 전력 장치에 대한 효과적인 솔루션이 될 것으로 예상되었습니다

11181_11489다중 자극 방법에 적용함으로써 좁은 피치 SJ 바카라 커뮤니티를 정확하게 형성 할 수있었습니다 무화과 3은 트렌치 게이트 타입 SJ-MOSFET (SJ-UMOSFET)의 단면 사진을 보여줍니다 8 개의 다층 필름으로 구성된 P- 타입 기둥은 측면 방향으로 이동하지 않고 수직으로 형성되어 MOSFET의 p- 타입 영역에 연결되도록한다는 것을 알 수 있습니다

그림 1 : 수직 SIC MOSFET의 바카라 커뮤니티 유형 (이번에는 빨간색으로 둘러싸인 MOSFET에 의해 이번에 개발)

그림 2 기존 SIC 및 GAN 수직 장치 (점선)에 대한 삭제 전압 저항의 이론적 한계 라인, SIC 수직 SJ 장치 (스틸 라인)가 다른 피치

그림 3 : 트렌치 게이트 타입 SJ-Mosfet (SJ-Umosfet)의 단면 사진 이시기에 개발되었습니다

다음으로, 이번에 개발 된 SJ 바카라 커뮤니티화 된 MOSFET은 기존 트렌치 게이트 MOSFET과 결합되었으며 다양한 평가가 수행되어 실제 사용을 보장하고 12kV 전압 저항 클래스의 트렌치 게이트 SJ-MOSFETS의 상용화 가능성을 확인했습니다

먼저, 우리는 4 인치 웨이퍼의 전체 표면에서 12kV 전압 저항 클래스 (1400V 이상)를 달성 할 수있는 대량 생산 수준에서 설계된 MOSFET의 고온 및 동적 특성을 평가했습니다 SJ 바카라 커뮤니티의 유무에 따라 175 ° C에서 실내 온도와 IE-UMOSFET의 저항성을 비교할 때 실온에서의 차이는 07 MΩcm², 그러나 175 ° C에서 SJ 바카라 커뮤니티가없는 6 mΩcm², 그러나 SJ 바카라 커뮤니티, 38 MΩcm²에서 낮게 유지되었습니다 (그림 4 왼쪽) 이 결과는 SJ-UMOSFET이 높은 출력에서 ​​작동하더라도자가 가열로 인해 상실성이 증가 함을 보여줍니다 또한, 사고로 인해 모터 또는 기타 장치의 하중이 단락 될 때, 부하 단락 공차는 SJ 바카라 커뮤니티를 갖는 지 여부에 관계없이 현재 상태에있는 상태에서 고전압이 장치에 적용되는 데 걸리는 시간을 나타내며 SJ 바카라 커뮤니티로 인해 안전 감소가 관찰되지 않았음을 나타냅니다 (그림 4의 권리)

SJ 바카라 커뮤니티에 의한 저항 감소 효과를 확인했습니다 그림 5는 제조 된 SJ-VMOSFET의 단면 바카라 커뮤니티 및 내성 분해를 보여줍니다 VMOSFETS는 채널 이동성이 높은 트렌치 게이트 MOSFET입니다 이들은 채널로 MOS 인터페이스 결함 (0-33-8)이 적은 결정 평면을 사용하기 때문입니다 이번에는 좁은 피치 SJ 바카라 커뮤니티를 제작할 수 있기 때문에 SJ 바카라 커뮤니티에 맞게 MOSFET 셀 피치를 증가시킬 필요가 없으며 낮은 저항성을 최적화 할 수있었습니다 좁은 피치 SJ 바카라 커뮤니티와 낮은 저항 MOSFET의 효과는 1170V의 전압을 견딜 수 있습니다²세계에서 가장 낮은 저항성을 달성 할 수있었습니다

위에서 언급 한 바와 같이, SIC-MOSFET에 SJ 바카라 커뮤니티를 적용하는 것은 12kV 전압 저항 클래스에서 효과적이며, 이는 전압 저항이 상대적으로 낮다는 것이 밝혀졌다

그림 4 : SJ-UMOSFETS 및 SJ-FREE UMOSFETS (IE-UMOSFETS) (왼쪽) (왼쪽)의 온도 의존성 및 단락 공차 (오른쪽)

그림 5 이번에 개발 된 SJ-VMOSFET의 단면 바카라 커뮤니티의 고장 및 온 저항성

이제 기술 이전을 염두에두고 기업 협업을 더욱 강화하고 SJ 바카라 커뮤니티의 설계 및 제조 프로세스를 홍보하며 신뢰성 및 용량과 같은 실제 사용을 목표로 장치 특성을 향상시킬 것입니다

◆ 실리콘 카바이드 (sic)

탄소 (C) 및 실리콘 (SI)으로 만든 화합물 반도체 실리콘 (SI)과 비교하여, 파괴 전기장, 포화 전자 속도 및 열전도율과 같은 물리적 특성은 전력 장치의 특성을 향상시킨다 전원 장치에 적용될 때 동일한 장치 바카라 커뮤니티는 SI 장치보다 1 배 높은 전압 전압을 제공하지만 동일한 재생성이 달성되며 장치 자체는 고온에서 작동 할 수 있으므로 차세대 전원 장치의 잠재적 재료가 될 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 수직 슈퍼 접합 (SJ) MOSFET

MOSFET은 금속/산화물/반도체 필드 효과 트랜지스터 (금속/산화물/반도체 필드 효과 트랜지스터) 전압 바로 아래의 채널 부분의 전도 상태는 제어 전극 (게이트)의 전압에 의해 변경되며, 이는 금속/산화물/반도체의 3 층 바카라 커뮤니티 및 스위칭 상태 (상태 : 전도 상태 및 오프 스테이트 : 셔틀 스테이트)와 트랜스 스터리의 출력 전극 (배출)이 제어됩니다 전원 장치에서는 배수가 보드 뒷면에 위치하는 수직 MOSFET가 일반적입니다 기존의 수직 MOSFET에서, 전압 내성 고정 층 (드리프트 층)은 역 바이어스 동안 수직으로 확장되는 반면, 고갈 층 (SJ 바카라 커뮤니티에서 자유 전자 및 구멍이 거의 존재하지 않는 영역)은 수직 방향에서 P-N 교차점에서 연장되는 P-N 교차점으로부터 수평으로 확장되며, 이는 임치가 증가하고 반복적 인 대상의 대상이되면 반대쪽으로 쇠약해진다 저항성 및 견딜 수 보장 전압[참조로 돌아 가기]

◆ 온 저항

에너지 상태 (상태)의 저항 이것은 트랜지스터의 효율성을 나타내는 중요한 지표이며, 저항성이 낮 으면 효율이 향상됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 동적 특성

스위칭 작동 중 특성은 트랜지스터에 연결되어 있으며 턴온/턴 오프 시간, 상승/하락 시간 등으로 표현 된 트랜지스터에 연결된 특성 AC 작동의 효율성이 우수합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 트렌치 게이트 타입 MOSFET

수직 MOSFET에는 트렌치 그루브 측벽에 채널이 형성되었으며 셀 피치는 표면에 채널이있는 평면 MOSFET보다 짧습니다 큰 채널 저항에 기여하는 SIC는 저항성을 줄이는 데 효과적이며, 1200 V 클래스에서는 효과가 적으며, 이는 드리프트 저항이 낮습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 일반 게이트 타입 MOSFET

바카라 커뮤니티는 표면의 수직 MOSFET 채널로 만들어졌으며 셀 피치는 트렌치 유형보다 넓습니다 [참조로 돌아 가기]

◆ ie-mosfet

이식 및 에피 택셜 MOSFET바카라 커뮤니티는 전압을 유지하고 고농도의 이온 이식을 사용하고, 수용체 농도가 낮고 결정 품질이 낮은 채널 인 에피 탁상 성장에 의해 전압을 유지하는 P-베이스의 하부를 형성함으로써 이루어집니다 높은 채널 이동성은 저항성이 낮습니다[참조로 돌아 가기]

◆ ie-umosfet

이식 및 에피 택셜 트렌치 MOSFETSIC 수직 트렌치 MOSFET의 제조 방법에서, 게이트 트렌치를 보호하는 전기장 이완을위한 고농도 P- 타입 영역은 이온 이식에 의해 형성되며, 채널이되는 P-베이스 층은 우수한 결정 품질로 에피 택셜 성장에 의해 형성된다 이 구조는 IE-MOSFET을 기반으로하며 U 자형 트렌치 게이트를 사용하며 바카라 커뮤니티 및 Fuji Electric Co, Ltd의 공동 개발의 결과 IE-Mosfet과 비교하여 온 저항성을 상당히 감소시키고 해외에서 트렌치 게이트의 신뢰성을 보장 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ v-mosfet

트렌치 게이트 유형 MOSFET은 트렌치 홈이 정상 수직 평면에서 537 도의 틸트로 V 자형으로 형성되어 채널이 SIC의 (0-33-8) 평면이라는 사실을 특징으로합니다 이 MOSFET 바카라 커뮤니티는 Sumitomo Electric Industries에 의해 개발되었으며 낮은 저항성에 적합하며, 이는 다른 결정 표면보다 낮은 MOS 인터페이스 결함 밀도와 더 높은 채널 이동성을 제공합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 다중 자극 방법

SJ 바카라 커뮤니티 제조 방법을 사용하여 킬로 엘렉트론 볼트 (KEV) 클래스의 1 µm 두께 및 저 에너지 이온의 얇은 에피 택셜 성장을 반복적으로 이식함으로써 원주 P- 타입 영역을 형성하는 방법 수중 시간이 많지만 이온 주입 마스크는 얇고 이식 에너지가 낮아서 측면 방향으로 퍼져서 좁은 피치로 SJ 바카라 커뮤니티를 제조하는 데 적합합니다[참조로 돌아 가기]