Cree 社 CTO の John Palmour 氏が Semiconductor Engineering 社のインタビューに応じ、炭化ケイ素について、シリコンとの比較、設計およびパッケージングの観点から何が異なるか、またどこで使用されているかなどについて語りました。 以下は、その会話の抜粋です。
SE: SiC はパワー エレクトロニクスと RF でよく知られていますが、主な利点は、シリコンよりも高温でデバイスを実行できることでしょうか、それともエネルギーを節約することでしょうか。 目標は、エネルギーを節約し、システム・コストを削減することです。 炭化ケイ素は OEM のコストを削減します。
SE: 前もって？
Palmour: そうです。 たとえば、「よし、IGBT よりも高価な炭化ケイ素を入れることができるが、バッテリ コストでその 3 倍を節約できる」と言えば、彼らはそれを実行します。
SE: しかし、それは必ずしも材料の1対1の節約ではありません。 システム・コストの方が重要ですよね？
パーマー。 はい、まったくです。 炭化ケイ素はシリコン IGBT よりも高価で、システム レベルでのコスト削減を実現することで、成功を収めることができます。
SE: それが SiC の採用を遅らせているのでしょうか。 システム レベルでコストを削減できるようなアプリケーションを見つけなければなりません。 しかし、そうして大量に出荷するようになると、価格が下がり、他のアプリケーションも開けるようになります。 以前は、初期コストが制限要因でしたが、人々はシステム・コストをより多く見るようになり、その観点から初期コストはシリコン・カーバイドの方が優れていることに気づいています。 自動車 OEM の場合、これらの自動車設計の影響により、市場が現在よりはるかに大きくなるため、生産能力について心配する必要があります。 供給の保証は懸念事項です。 そのため、クリー社は、炭化ケイ素デバイスを製造する他の企業と多数のウェハ供給契約を発表しました。 私たちはデルファイと発表を行い、私たちはデルファイにチップを販売し、彼らはヨーロッパのOEMにインバータを販売します。 こうしたことが検討されており、供給を固定化する必要があります。 このような長期購入契約では、生産設備に多額の投資をする前に、需要があることを確認する必要があります。 私たちは昨年、10億ドルの設備投資を行い、このニーズに対応するために生産能力を大幅に増強することを発表しました。 これは必要なことであり、まだスタート地点にすぎません。
バッテリー電気自動車の自動車市場全体に対する普及率を計算すると、これはまだ始まったばかりです。
SE: これはすべて200mmですか、それとも古い技術ですか。 今日、すべての生産の大部分は、150mm 6インチウェハーです。 まだ4インチもあります。 ニューヨークで200mm対応の新工場を建設中ですが、現在200mmはやっていませんし、その準備も数年後と見ています。 8インチの準備ができれば、電源を入れることができます。 8インチの準備が整えば、電源を入れることができます。機器がすべて200mmになるため、時期が来れば8インチに素早く移行できます。
SE：シリコンチップの製造とプロセスは根本的に違うのでしょうか？ 通常使用するのと同じツールを利用するのでしょうか。
パーマー氏。 材料の成長ということであれば、それは違います。 結晶成長は根本的に違います。 ウェハー処理、研磨、エピタキシー、すべてがまったく異なります。 しかし、いったん工場に入れば、2、3のプロセスを除いては、かなり標準的な装置で、炭化ケイ素用にかなり調整されています。 基本的な製造工程は非常にシリコン的で、クリーンルーム設備の大部分は典型的なシリコン設備です。
SE: テストと検査の面ではどうでしょうか。
SE：SiCは高温で動作するので、欠陥がより問題になるのでしょうか？
Palmour。 シリコンがあまり高温にならないのは、本質的に導電し始めるからです。 175℃あたりで半導体でなくなり、200℃になると導電体になってしまうのです。 炭化ケイ素の場合、その温度はもっと高く、約1,000℃。 しかし、パッケージの関係で、シリコンよりも高い温度は狙っていません。 パッケージの温度が高ければ高いほど、低温と高温の間のデルタTが大きくなり、パッケージが劣化するスピードが速くなります。 私たちは、極端な高温化を目指しているわけではありません。 実際、私たちは効率的なので、1平方センチメートルあたりで見ると、それほど高温にはならないのです。 当社のチップは通常 175°C 程度で、シリコンよりもそれほど高くはありません。
SE: つまり、SiC は自動車や産業用アプリケーション向けの ASIL D カテゴリーに入るのですね。
SE：物理的なレベルでは何が違うのでしょうか。 これは基本的に、2つのシリコン原子の間の結合から電子を引き離すのにどれだけのエネルギーが必要かを示す定義です。 つまり、その結合から電子を引き離すには、1.1電子ボルトが必要なのです。 炭化ケイ素のバンドギャップは3.2電子ボルトですから、その3倍のエネルギーが必要です。 しかし、実際には指数関数的に変化しているのです。 半導体のバンドギャップの特徴の多くは、実は指数関数的に上がっていくのです。 バンドギャップは3倍広いのですが、電気的破壊に関しては、実際には10倍高い電気的破壊電界を持っているのです。 つまり、シリコンと炭化ケイ素でまったく同じ構造 (同じエピ厚、同じドーピング レベル) を作った場合、炭化ケイ素バージョンはシリコンバージョンより 10 倍多く電圧をブロックするということです。 シリコンでMOSFETを作ることもできるし、炭化ケイ素でMOSFETを作ることもできる。 シリコン製のMOSFETは、10ボルトから約300ボルトまでの低電圧領域で非常に一般的である。 300ボルトを超えると、シリコンのMOSFETの抵抗が非常に高くなり、MOSFETに魅力がなくなってしまう。 MOSFETは高価すぎるのだ。 そこで、バイポーラデバイスに切り替えたのです。 MOSFETはユニポーラ・デバイスで、少数キャリアは存在しません。 デバイス内には電子だけが流れています。 ユニポーラ素子であれば、非常に高速にスイッチングすることができます。 60ボルトのMOSFETを見ると、非常に高速にスイッチングします。だから、シリコンでギガヘルツのプロセッサを作ることができるのです。 MOSFETは非常に低電圧のもので、5ボルト程度です。 しかし、電圧が高くなると、バイポーラデバイスにする必要があります。つまり、電子と正孔の両方が同時にデバイスの中を流れることになります。 スイッチングするたびに、電子と正孔が再結合してエネルギーが発生するため、それをすべて消散させなければならないのです。 バイポーラデバイスを使えば、抵抗はずっと低くなり、チップはずっと小さく、安価になりますが、切り替えるたびにその余分な熱を放散しなければなりません。 これがトレードオフです。 1172>
Fig. 1: SiC MOSFET。 出典はこちら Cree
SE：SiCではどうでしょうか。 炭化ケイ素は、10倍も高い耐圧電界を持っています。 私たちの600ボルトのMOSFETは、60ボルトのシリコンMOSFETと同じくらいの速度になるのです。 また、600ボルトがMOSFETやシリコンからIGBTに切り替わる電圧だとすると、10倍の電圧になるわけです。 つまり、炭化ケイ素のMOSFETは、IGBTに切り替える前に6,000ボルトまで使用することになるのです。 このワイドバンドギャップから得られる高い絶縁破壊電界によって、シリコンで使いたいが抵抗が大きすぎて実用化できないようなタイプのデバイスを使用することができます。 炭化ケイ素では、シリコンで本当に欲しかったデバイスを作ることができますが、シリコンの物理的な理由により、その電圧範囲では実用的ではありません。
SE: 炭化ケイ素は、電圧が高いため、シリコンと同じように老化しますか。 同じです。 電圧は重要ではありません。 電圧に関係なく同じであるのは電界です。
SE：SiCがより多くの場所で使われるようになると、規模の経済が発生するのでしょうか。 そうです。 熱の問題があるので、ムーアの法則より少し漸近的になるでしょうが、コストダウン曲線の初期であることは間違いありません。 2017年から2024年にかけて、ボリュームは30倍になると予想しています。
SE：そのボリューム増加を妨げるような制約はありますか？
パルモア。 炭化ケイ素は砂と石炭です。 シリコンとカーボンは、地球上で最も豊富な元素のうちの2つです。 リン化インジウムやハフニウムのようなものではありません。 それよりも、電気自動車のバッテリーでリチウムが足りるかどうか、永久磁石モーターを作るためのレアアースが足りるかどうかが心配です。
SE: 今、パッケージの中に複数のチップを入れることが注目されています。 そのようなパッケージの中で、SiCはどのような挙動を示すのでしょうか。 同じパッケージである必要はないでしょうか。
パルモア。 炭化ケイ素パワーデバイスに関しては、私たちは3つの製品ラインを持っています。 1つはディスクリートパワーデバイスです。 TO-247のMOSFETやTO-220のダイオードなど、一般的なディスクリート・パッケージです。 それから、独自のパッケージングを行う企業にもチップを販売していますが、それらはほとんどがモジュールメーカーです。 そして、自社でモジュールを製造しています。 モジュールには、複数の炭化ケイ素製MOSFETチップが並列に搭載されており、非常にシンプルな回路でより多くの電力を得ることができます。 最も一般的なケースは、そのパワーモジュールに他の同じ炭化ケイ素チップが入っていることです。 例えば、100アンペアのチップを持っていて、600アンペアになるパワーモジュールとHブリッジの構成が必要だとします。 そこで、片側に100アンペアのデバイスを6個、もう片側に100アンペアのデバイスを6個配置してHブリッジを作り、さらにコンデンサや抵抗を追加することになります。 これが今の市場です。 大きな問題は、私たちもよく研究していることですが、車載用のチップを標準的なシリコンパワーモジュールのパッケージに組み込むと、インダクタンスがあるため、チップの性能の半分程度しか得られないということです。 これは、VW バグのシャーシにフェラーリのエンジンを載せるようなものです。
SE: それはミスマッチのように聞こえますね。 私たちが取り組んでいるのは、シリコンカーバイドを最大限に活用するために、そのモジュールをどのように最適化するかということです。 そのエンジンのためにフェラーリのシャーシを作らなければならないのですが、そのためのパワーモジュールが研究されているのです。 パッケージ内の他のチップと一緒に使えるかどうかについては、答えは「イエス」です。 一般的に今日、このパワーモジュールを構成するドライバーやその他のチップは、ボード上にあります。 通常は、そのモジュールのすぐ横に置かれた別のボードにありますが、同じモジュールの中にあることもあります。 これはインテリジェントパワーモジュールと呼ばれています。 1172>
SE:多くの設計で問題になっているノイズやドリフトについてはどうでしょうか。 SiCの場合はどうなのでしょうか。 その質問には2つの部分があります。 酸化物の安定性という点では、シリコンカーバイドにはドリフトがあります。 それを最小限に抑えるために、私たちは多くの時間を費やしています。 一度うまくいけば問題ありません。 問題は、ほとんど動作時間です。 最初の10時間か20時間は基本的にずれますが、その後は安定します。 そのため、この問題をできるだけ小さくすることが重要です。 ノイズに関しては、他のチップのようにノイズに弱いということはありません。 しかし、炭化ケイ素は高い周波数で動作し、高いdv/dtとdi/dtでスイッチングできるため、実際にはノイズを発生させています。 ノイズの発生を最小限に抑えるためには、非常に慎重に回路設計を行う必要があります。
SE: シールドは役に立ちましたか
Palmour: それは、設計を正しく行うことと同じくらい、実際にはシールドではありません。 シリコンでは、ドライバを 1 フィート先に置いて、ケーブルを配線すれば、大きな問題はありません。 炭化ケイ素の場合、インダクタンスが大きすぎて、まるでバンシーのように鳴ってしまうのです。 このインダクタンスを最小限に抑え、ノイズを低減するためには、ドライバーをモジュールのすぐ近くに設置する必要があります。 インダクタンスを最小限に抑える必要があります。
SE: これは、RF デザイナーが今日取り組んでいる大きな問題につながるわけですね。 そうですね、私たちは RF とパワーの両方を扱っています。 炭化ケイ素を使用する場合、電力部門の多くの人々が考える以上に、RF 領域に押しやられています。 RFは別世界です。 コンデンサーが抵抗になり、抵抗がコンデンサーになり、すべてがひっくり返ります。
SE: しかし、SiC は RF の世界で広く使用されていますね。 はい、そしてRFは、私たちのビジネスのもうひとつの部分です。 そこでは、SiCを基板として使用しています。 以前は、RFデバイス用のSiC MESFET（金属-半導体FET）を販売していました。 Gan RF では、Gan RF デバイスの 99% がシリコン カーバイド基板で作られています。
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