いよいよSiCの時代へ、業界初の「フルSiCパワーモジュール」が量産：パワー半導体 SiCデバイス

　ロームは、内蔵する全てのパワー半導体素子の材料にSiC（シリコンカーバイド）を採用した「フルSiCパワーモジュール」の量産を開始すると発表した。「フルSiCパワーモジュールの量産は業界初」（同社）という。

　今回量産を開始する品種の定格電圧は1200V、定格電流は100A。外形寸法は122×46×17mmである（端子を含まない）。既存のSi（シリコン）製IGBTモジュールを採用する場合に比べてスイッチング損失を85％削減した他、定格電流400AのSiのIGBTモジュールに比べて体積を50％に抑えられたという（図1）。「定格電流は100Aだが、100kHz以上の高速スイッチングと低損失化によって、定格電流が200〜400AのSi製IGBTモジュールを置き換えられる」（同社）。

図1　SiC材料を採用するメリット （クリックで拡大）

　対象とする用途は、産業機器や太陽電池、電気自動車などにおいて電力変換を担うインバータやコンバータなど。同社は今後、フルSiCパワーモジュールの拡充を進め、2011年度に17億円だったSiC関連事業の売上高を、2012年度には35億円、2013年度には50億円、2015年度には160億円に伸ばすことを目標にしている。例えば、定格電圧を1700V、定格電流を300Aに高めた品種や、SiC材料のトレンチMOSFET、インテリジェントフルSiCモジュールなどを製品化する計画である（図2）。

図2　ロームが狙う用途と今後の製品計画 （クリックで拡大）

独自の信頼性向上技術を開発

　ここ数年、パワーエレクトロニクスの分野では、Siデバイスよりも電力変換時の損失が小さく、材料物性に優れたSiCデバイスに注目が集まっている（図3）。バンドギャップが広く絶縁破壊電界強度が高いため、従来のSiデバイスに比べて耐圧を高められる。耐圧を従来と同等にする場合は、半導体層を薄くできるので、オン抵抗（損失）を下げられる。また、熱伝導度が高いため、高温動作が可能で、冷却装置の小型化につながる。

図3　ワイドギャップ半導体であるSiC材料の材料物性

　ロームによると、これまではパワーモジュールを構成するパワーMOSFETとショットキーバリアダイオード（SBD）のうち、SBDだけをSiC材料の品種に置き換えたパワーモジュールは量産されていた（図4）。しかし、全てのデバイスをSiC材料に置き換えたパワーモジュールは信頼性を確保する観点で技術課題が多く、量産には至っていなかったという。

図4　従来のSiCパワーモジュールとフルSiCモジュールの違い （クリックで拡大）

　今回ロームは、独自の欠陥抑制技術やスクリーニング技術を開発することで信頼性を確保したことに加えて、製造プロセスにおける1700℃の高温工程を経ても特性を劣化させない手法を開発することで、量産体制の確立に成功した。同社は、2002年にSiC材料のMOSFETの基礎実験に着手して以降、2010年4月にSiC材料のSBD、同年12月にはSiC材料のMOSFETの量産を開始していた（図5）。

図5　ロームの研究開発の歴史