レポートナンバー 0000030194
次世代パワー半導体の開発動向と応用展開
株式会社シーエムシー出版
Recent Progress of Next-Generation Power Semiconductor Devices and Their Applications
発刊日
2021/08/31
言語日本語
体裁B5/314ページ
ポイント
電力エネルギーの高効率制御による省エネ・脱炭素社会の実現へのキーテクノロジーであるパワーエレクトロニクス,その中核をなすパワー半導体!
次世代パワー半導体のデバイス設計,プロセス,高耐熱実装技術や回路技術に加え,評価・標準化についても詳細に紹介!
車載機器や5G 通信機器応用,さらには電動航空機や気象観測レーダへの展開といった新規分野への展望まで詳しく解説!
レポート概要
【刊行にあたって】
2020年,コロナウィルスの全世界的な蔓延により,世界各国は人的ならびに経済的に甚大なダメージを受け,2021年後半にようやく一部でその回復の兆しが見えてきたものの,コロナ後の見通しは未だ不透明といった状況下にある。しかし過去を振り返ると,第二次世界大戦終了後のコンピュータの開発,第二次オイルショック後のソニーウォークマンの発売,そして最近では2000 年のIT バブル崩壊後のアップルiPod 発売など,大きな災禍の後には目覚ましい技術革新やそれに伴う驚きの新製品を発売してきた歴史がある。革新技術の出現,ならびに驚愕の新製品開発を是非とも期待したい。
コロナウィルス後の世界を考えると,テレワークやイーコマースの急速な普及によるデータの膨大な増加の勢いはとどまるところを知らず,データセンタ向けサーバや5G 基地局向け装置の需要はますます伸びると言われている。また,地球温暖化ならびに大気汚染対策のための自動車の電動化(xEV 化)は人類にとって「待った無」の課題であることに変わりはない。これらデータセンタ向けサーバ電源やxEV 分野などに高性能パワーエレクトロニクス装置が搭載されれば,低消費電力特性ならびに無排気ガスによるCO2 削減の実現が可能となり,社会に与えるインパクトは極めて大きい。つまり,今後も電気エネルギー依存度はますます上昇し,将来的にも電力がエネルギーの中核をなすのは間違いない。2015 年の国連サミットで採択されたSustainable Development Goals(SDGs)の達成に向け,また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よく制御する技術のことであり,具体的にはパワー半導体を用いて電力を制御し電力をより使いやすい形に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,パワー半導体による低導通抵抗・高速スイッチング技術によって成り立っており,パワー半導体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依然としてシリコンパワー半導体がその中心であるが,今後のパワーエレクトロニクス装置のより一層の高性能化を実現するためには,次世代パワー半導体材料である炭化ケイ素(SiC),窒化ガリウム(GaN),酸化ガリウム,さらにはダイヤモンドに代表されるワイドバンドギャップ半導体,ならびにそれら材料の特長を十分引き出すことのできる,回路,実装技術の実用化が必要不可欠であることは言うまでもない。
本書『次世代パワー半導体の開発動向と応用展開』では,次世代パワーエレクトロニクスの中心となるワイドバンドギャップ材料による最新パワー半導体を軸に編集された。デバイス設計,プロセス,高耐熱実装技術や回路技術だけでなく,評価・標準化についても詳細に紹介している。さらに,今後の伸長が大いに期待できる車載機器や5G 通信機器応用だけでなく,電動航空機や気象観測レーダへの展開といった新規分野への展望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。高効率電力利用社会の本格的な実現に向けて,次世代パワー半導体の浸透を一層加速する様々な応用をいかに開拓していくかに,本書が役立つことを期待したい。
筑波大学
岩室憲幸
レポート詳細
著者一覧
岩室憲幸 筑波大学
藤島直人 富士電機(株)
矢野裕司 筑波大学
加地徹 名古屋大学
東脇正高 (国研)情報通信研究機構
鹿田真一 関西学院大学
菅沼克昭 大阪大学
陳伝トウ 大阪大学
有賀善紀 KOA(株)
齊藤克明 (株)日立パワーデバイス
篠田卓也 (株)デンソー
會田英雄 長岡技術科学大学
土肥俊郎 九州大学,埼玉大学,(株)Doi Laboratory
磯部高範 筑波大学
佐藤弘 (国研)産業技術総合研究所
原田信介 (国研)産業技術総合研究所
徳田規夫 金沢大学,(株)Kanazawa Diamond
矢板潤也 富士通(株)
青木弘利 (株)タムラ製作所
ニチコン(株)
迫秀樹 (株)東レリサーチセンター
赤堀誠至 (株)東レリサーチセンター
杉江隆一 (株)東レリサーチセンター
先﨑純寿 (国研)産業技術総合研究所
今岡淳 名古屋大学
安井感 (株)日立パワーデバイス
串間宇幸 (株)日立パワーデバイス
両角朗 富士電機(株)
塩原和吉 富士電機(株)
高橋昭雄 横浜国立大学,横浜市立大学
岩田明彦 大阪産業大学
菊池憲 住友電気工業(株)
山中宏治 三菱電機(株)
越部茂 (有)アイパック
水谷文彦 東芝インフラシステムズ(株)
高木一考 東芝インフラシステムズ(株)
篠原真毅 京都大学
西田信也 三菱電機(株)
目次
第1章 概論
1 パワー半導体の現状・課題・展望
1. 1 パワーエレクトロニクス/パワー半導体技術進展への期待
1. 2 シリコンパワー半導体の進展
1. 3 SiCパワー半導体最新技術と課題
1. 4 GaNパワー半導体最新技術と課題
1. 5 まとめ
2 パワーエレクトロニクス装置の要求トレンドとパワーデバイス技術動向
2. 1 はじめに
2. 2 パワーデバイスの市場動向と製品適用
2. 3 基盤としてのデバイス技術
2. 3. 1 IGBT
2. 3. 2 RC-IGBT
2. 3. 3 SiC-MOSFET
2. 4 パワエレ装置の要求トレンドとパワーデバイス技術動向
2. 4. 1 モータドライブ
2. 4. 2 再生可能エネルギー
2. 4. 3 電動車(xEV)インバータ
2. 4. 4 電鉄インバータ
2. 5 あとがき
第2章 材料特性と開発
1 SiC半導体
1. 1 はじめに
1. 2 SiCの材料物性
1. 3 SiCのバルク結晶成長
1. 4 SiCのエピタキシャル成長
1. 5 デバイスプロセス技術
2 GaN半導体
2. 1 はじめに
2. 2 GaNの物性
2. 3 GaNの電気特性
2. 4 ヘテロ接合
2. 5 結晶成長方法および基板
2. 6 Mgイオン注入によるp型GaNの形成
2. 7 まとめ
3 酸化ガリウム材料・デバイス開発
3. 1 はじめに
3. 2 Ga2O3の物性
3. 3 Ga2O3単結晶バルク融液成長技術
3. 4 Ga2O3薄膜エピタキシャル成長技術
3. 5 Ga2O3ショットキーバリアダイオード開発の動向
3. 6 Ga2O3トランジスタ開発の動向
3. 6. 1 横型FET
3. 6. 2 縦型FET
3. 7 おわりに
4 ダイヤモンド半導体
4. 1 パワー半導体としての物性
4. 2 ウェハ開発
4. 2. 1 大面積化
4. 2. 2 基板の転位
4. 3 ドーピング
4. 3. 1 p型
4. 3. 2 n型
第3章 パワー半導体実装へ向けた技術・考え方
1 パワーモジュールのための接合技術
1. 1 はじめに
1. 2 WBGパワー半導体の接合
1. 3 焼結接合
1. 4 Ag焼結接合
1. 5 Agの低温焼結への溶剤の効果
1. 6 Cu焼結接合
1. 7 これから
2 小形表面実装部品のための基板放熱の活用
2. 1 はじめに
2. 2 電子機器の小形化と熱問題
2. 2. 1 電子部品の小形化・高熱流束化
2. 2. 2 基板放熱の重要性
2. 3 基板熱設計の指針
2. 4 基板パターンの熱抵抗と簡易算出手法
2. 4. 1 放熱パターンの熱抵抗
2. 4. 2 Leeの式を応用した基板熱抵抗の算出
2. 4. 3 修正Leeの式の妥当性と適用範囲
2. 5 まとめ
3 システム価値を高める接合技術
3. 1 はじめに
3. 2 ミッションプロファイルベースアプリケーション価値
3. 3 Si-IGBT用の高信頼性ハンダ
3. 4 SiC-MOS-FET用の高温接合材料
3. 4. 1 超塑性(SP:Superplastic)ハンダ
3. 4. 2 Cuシンタリング
4 過渡の振る舞いが高精度な“熱抵抗・熱容量”素子モデル
4. 1 はじめに
4. 2 DNRCモデルとDSRCモデル
4. 2. 1 伝熱設計でTJを求める際の課題
4. 2. 2 DNRCモデル
4. 2. 3 DSRCモデル
4. 2. 4 DNRCモデルとDSRCモデル活用の嬉しさ
4. 3 モデルの活用例
4. 4 おわりに
5 次世代パワー半導体材料基板の超精密加工技術
5. 1 はじめに
5. 2 基板加工プロセス
5. 2. 1 スライスおよび粗研削
5. 2. 2 両面ラッピング
5. 2. 3 精密機械研磨
5. 2. 4 化学機械研磨(CMP)
5. 2. 5 その他
5. 3 終わりに
6 次世代パワーデバイスを用いた電力変換器のための回路方式と考え方
6. 1 電圧形変換回路の動作
6. 2 SiC-SBDの採用によるターンオン損失の低減
6. 3 SiC-MOSFETのボディダイオード通電回避
6. 4 超高周波化の実現のためのゼロ電圧ターンオン技術
7 SiCパワーデバイスの社会実装に向けた実装技術
7. 1 はじめに
7. 2 ハイブリッド電動航空機に向けて,重量・効率に関する試検討
7. 3 高速スイッチングを容易に利用できるようにするための技術開発
7. 4 今後の展望
第4章 デバイス技術・開発
1 低損失・高信頼なSiCパワーMOSFETの開発
2 ダイヤモンド半導体のデバイスプロセスと反転層チャネルMOSFET
2. 1 はじめに
2. 2 ダイヤモンド表面制御プロセス
2. 3 ダイヤモンド反転層チャネルMOSFETの現状
2. 4 ダイヤモンド反転層チャネルMOSFETの課題
2. 4. 1 界面準位
2. 4. 2 ダイヤモンドエッチングプロセス
2. 5 まとめと今後の展望
3 ダイヤモンド放熱を利用したGaN HEMTの性能向上
3. 1 はじめに
3. 2 GaN HEMTの放熱技術とダイヤモンドの適用
3. 3 GaN HEMT上面へのダイヤモンド適用
3. 4 GaN HEMT下面へのダイヤモンド適用
3. 5 今後の展望
4 All-SiCパワーモジュールの性能を引き出すゲートドライバーモジュール
4. 1 はじめに
4. 2 ゲートドライバー概要
4. 2. 1 ゲートドライバーの内部構成
4. 2. 2 ゲートドライバーの仕様
4. 3 All-SiCパワーモジュールの特徴
4. 4 All-SiCパワーモジュールの駆動事例
4. 4. 1 短絡耐量に対応した駆動事例
4. 4. 2 閾値電圧VGS(th)に対応した駆動事例
4. 4. 3 オン抵抗による損失低減とゲート電圧の安定性を両立させる駆動事例
4. 4. 4 高いdv/dtに対応した駆動事例
4. 5 まとめ
5 SiCパワーデバイスを搭載した電力変換モジュール開発の取り組みと製品への搭載事例
5. 1 はじめに
5. 2 スーパークラスタープログラム
5. 2. 1 非絶縁型DC/DCコンバータの開発
5. 2. 2 非絶縁型AC/DCコンバータの開発
5. 2. 3 課題
5. 3 クリーンデバイス社会実装推進事業
5. 3. 1 超小型電力変換モジュール開発背景
5. 3. 2 超小型電力変換モジュール仕様と評価結果
5. 4 超小型電力変換モジュールの製品採用
5. 5 今後の展開
第5章 評価・標準化
1 次世代パワー半導体素子開発を支える分析・評価技術
1. 1 はじめに
1. 2 二次イオン質量分析法(SIMS)を用いた不純物分析
1. 3 走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いたp-n接合界面評価
1. 4 カソードルミネッセンス(CL)法を用いた欠陥評価
2 SiCウェハ品質検査技術と国際標準化
2. 1 はじめに
2. 2 SiCウェハ品質検査技術開発
2. 2. 1 SiCエピ欠陥の非破壊検査技術開発
2. 2. 2 光学検査手法,PL法,XRT法を使用した3チャンネルSiCウェハ欠陥検査技術開発
2. 2. 3 SiCバルクウェハ品質の非破壊検査技術開発
2. 3 SiCパワー半導体技術分野に関する国際標準化
2. 3. 1 SiCエピ欠陥の非破壊検査法に関する国際標準規格
2. 3. 2 SiCパワー半導体デバイス信頼性試験法に関する国際標準化
2. 4 まとめ
第6 章 モビリティへの展開
1 移動応用に向けたパワーエレクトロニクス技術動向とその高電力密度化技術
1. 1 はじめに
1. 2 移動体パワーエレクトロニクス機器の技術動向とパワエレ技術
1. 2. 1 車載応用の動向
1. 2. 2 航空機応用の動向
1. 3 高周波駆動による電力変換回路の高電力密度化とその課題
1. 3. 1 パワー半導体の高周波駆動と磁気素子のサイズの関係
1. 3. 2 高周波駆動による体格低減効果と発熱実測結果
1. 4 おわりに
2 xEV向け高温高出力密度パワー半導体モジュール
2. 1 背景
2. 2 日立パワーデバイスの取り組み
2. 3 サイドゲートIGBTによる低損失化
2. 4 SnCu系高耐熱はんだによるパッケージ信頼性向上
2. 5 おわりに
3 電気駆動車用パワー半導体のパッケージ技術
3. 1 はじめに
3. 2 自動車を取り巻く環境
3. 2. 1 気候変動枠組条約をめぐる動き
3. 2. 2 電動化の動きと電気駆動車の構成
3. 3 電気駆動車用パワー半導体モジュールの特徴
3. 3. 1 パワー半導体モジュール構造の変遷
3. 3. 2 電気駆動車用パワー半導体モジュールの構造
3. 3. 3 電気駆動車用パワー半導体モジュールの冷却構造
3. 4 直接水冷構造用冷却器設計
3. 4. 1 冷却性能の原理(対流熱伝達)
3. 4. 2 冷却器の高放熱化
3. 5 直接水冷構造の課題
3. 5. 1 接合部信頼性
3. 5. 2 耐腐食信頼性
3. 6 おわりに
4 車載エレクトロニクス用高耐熱,高放熱実装材料の設計と評価
4. 1 はじめに
4. 2 パワーデバイスモジュールの技術動向と実装材料
4. 3 パワーモジュール実装材料評価用プラットフォームと材料設計
4. 4 封止樹脂の開発
4. 5 プラットフォームによる実装材料評価
4. 5. 1 大面積SiCパワーチップによる高耐熱実装材評価
4. 5. 2 各種実装材料に特化した評価の課題
4. 6 これまでの結果と進展状況
5 電動化航空機とパワーエレクトロニクスの展望
5. 1 航空機の電気化および電動航空機の開発状況
5. 2 電気・電動化航空器の電力変換器
5. 2. 1 装備品用電力変換器
5. 2. 2 推進FAN駆動用電力変換器
5. 3 グリッドシステムの信頼性と半導体遮断器
5. 4 電力変換器の信頼性とパワー半導体
第7章 5Gなどの通信への展開および気象観測などレーダへの展開
1 無線通信用GaN HEMTデバイス
1. 1 はじめに
1. 2 GaN HEMT技術
1. 2. 1 材料物性
1. 2. 2 GaN HEMTの構造と基本特性
1. 3 携帯電話基地局用GaN HEMT増幅器
1. 4 基地局間通信用GaN HEMT
1. 5 衛星通信地球局用GaN HEMT
1. 6 衛星搭載用GaN HEMT
1. 7 レーダー用GaN HEMT
1. 8 まとめ
2 5G基地局用GaN増幅器モジュールの小型・高効率化技術
2. 1 はじめに
2. 2 サブ6基地局高出力増幅器技術動向
2. 3 ミリ波における基地局増幅器技術動向
2. 4 まとめ
3 高速通信機器用パワーデバイスのパッケージング技術と課題
3. 1 はじめに
3. 2 パワーデバイス
3. 2. 1 機能
3. 2. 2 種類
3. 2. 3 用途
3. 2. 4 開発動向
3. 2. 5 注目分野
3. 3 高速通信用途
3. 3. 1 高速通信
3. 3. 2 高速通信用パワーデバイス
3. 4 パワー半導体の封止技術
3. 4. 1 封止方法
3. 4. 2 封止材料
3. 5 パワー半導体用封止材料の課題
3. 5. 1 発熱対策
3. 6 パワーモジュール用回路材料の課題
3. 6. 1 回路材料の低誘電化
3. 7 新規パワーデバイス用材料の開発
3. 7. 1 パワー半導体用封止材料
3. 7. 2 パワーモジュール用回路材料
3. 8 おわりに
4 GaN HEMTsを用いたフェーズドアレイ気象レーダ
4. 1 はじめに
4. 2 気象レーダのフェーズドアレイ化による観測の高速高密度化
4. 3 マルチパラメータ化による降水観測精度向上と多要素観測
4. 4 固体化送信機
4. 5 マイクロ波半導体
4. 6 まとめ
第8章 エネルギーへの展開
1 次世代パワー半導体デバイスとワイヤレス給電への応用展望
1. 1 はじめに
1. 2 結合型ワイヤレス給電のための次世代パワー半導体
1. 3 結合型ワイヤレス給電のための次世代パワー半導体―送電回路用FET―
1. 4 結合型ワイヤレス給電のための次世代パワー半導体―受電回路用ダイオード―
1. 5 おわりに
2 電気エネルギーシステムの小型化・低消費電力化に貢献するパワーモジュールの開発
2. 1 要旨
2. 2 パワーモジュールを取り巻く市場環境とパワーモジュールへの要望
2. 3 パワーモジュールの開発
2. 3. 1 概要
2. 3. 2 パワーチップ技術
2. 3. 3 パッケージ技術
2. 3. 4 パワーモジュール開発に関わるその他の主な取り組み
2. 4 むすび
