SiCパワーデバイス実用化に向けた動作中デバイスにおける結晶欠陥可視化技術の開発 No.049

背景
　カーボンニュートラルを実現するためには、電力、産業・モビリティ、家庭・オフィス等の幅広い分野で高効率なパワーエレクトロニクス機器の利用拡大がより重要となります。現在、パワーデバイスの材料にはSiが広く使われていますが、更なる省エネルギー化に向けてSiCを使ったパワーデバイスの実用化が開始されています。SiCパワーデバイスは高電圧での動作が可能であり、高耐圧･大電流が求められる電力やモビリティ分野での活躍が特に期待されていますが、SiCに含まれる結晶欠陥がその普及を妨げています。具体的には、SiCパワーデバイスの中で最も応用範囲が広いスイッチング素子であるSiC MOSFETを用いたパワーモジュールでは、MOSFETの内蔵PNダイオードを還流ダイオードとして活用することで小型･低コストであるダイオードレス構造が実現可能ですが、内蔵PNダイオードの動作中にデバイスのオン抵抗が増加するバイポーラ劣化現象が課題となります。これは、SiCに存在する線状の結晶欠陥が、電子-正孔再結合エネルギーを受け取り、面状の積層欠陥に拡張することで起こります。積層欠陥は、電流の流れを阻害する高抵抗層であるため、動作中に徐々にデバイスの抵抗が増加してしまいます。
　この課題を解決し、SiC MOSFETの高信頼化を実現するために、動作中デバイスの内部で積層欠陥がどのように拡張し、特性がどのように劣化するのかを解明する必要がありましたが、デバイス構造が非常に複雑であるため、成功例はありませんでした。

成果の詳細
　そこで、放射光を用いたX線トポグラフィー法^*を応用して、動作中のSiC MOSFETにおける積層欠陥の挙動を可視化し、積層欠陥の生成機構を解明しました。この際、検出系にX線カメラを採用することで連続撮像を可能とし、SiC(0-2210)面の回折を利用することで鮮明に積層欠陥を検出しました。
　SiC MOSFETの内蔵PNダイオードに150 Aの電流を流しながら観察を実施した結果、世界で初めて動作中SiC MOSFETにおける積層欠陥の拡張を直接観察することに成功しました。さらに、異なる動作条件で拡張した積層欠陥を特定して詳細に解析し、デバイス動作条件に応じた信頼性モデルを構築しました。構築したモデルを用いることで、ダイオードレス構造を実現する高信頼なSiC MOSFETの実現に貢献することができました。
　この高信頼なSiC MOSFETを用いたSiCパワーモジュールにより、鉄道･電気自動車等の産業で大きな省エネルギー効果が得られ、カーボンニュートラル実現に向けたCO₂削減目標達成への貢献が期待されます。