CoolSiC™テクノロジーの詳細
比類ない信頼性と品質
インフィニオンの全体的な目標は、炭化ケイ素 (SiC) MOSFETによって得られる低いRDS(on)と、安全な酸化物電界強度条件でデバイスを動作させるゲート駆動モードを両立させることです。そのため、高い欠陥密度を持つプレーナ構造を捨てて、より有利な表面構造を持つトレンチ基板デバイスに集中しました。後者は、低い酸化物電界で低いチャネル抵抗を実現しています。これらの境界条件は、産業用および車載用アプリケーションで求められるFITレートを保証するためにシリコンパワー半導体の世界で確立された品質保証の方法論を移行するための基礎となっています。
SiCデバイスは、同等のSiデバイスと比べて、ブロッキングモードでは、ドレインで誘起される電界がより強い状態で動作します（kVではなくMV）。このように、オン状態やオフ状態の酸化物に高電界が発生すると、消耗が加速する可能性があります。オフ状態では、深いp領域によるストレス保護を採用し、オン状態では、薄い酸化物では残存する酸化物欠陥を遮断する限ために、厚い酸化物を使用します。
CoolSiC™ MOSFET のセル構造
CoolSiC™ MOSFET のトレンチコンセプトは、ボディダイオードの動作に最適化されています。ゲートトレンチの底に p+ 領域に埋め込むことで、ボディダイオードの面積を拡大しています。
CoolSiC™ MOSFET のセル設計は、オンおよびオフ時にゲート酸化膜に印加される電界を緩和し、信頼性を維持するために開発されました。 さらに、すべてのバージョンにおいて、量産時でも安定した再現性のある低オン抵抗を実現しています。ゲート駆動電圧 VGS = 15 V と高い閾値電圧 Vth = 4.5Vを保証しており、これはSiCトランジスタ分野においてベンチマークとなる特性です。
CoolSiC™ MOSFET詳細
CoolSiC™は、トレンチ型SiC MOSFET技術のパイオニアと同義です。インフィニオンは、私たちがWBG分野でもイノベーションと技術的リーダーシップを目指して努力し続けていることを実証しています。何を提供し、どのように提供するかで、他との差別化を計っています。
CoolSiC™ MOSFETは、優れたスイッチング動作と低い総損失を備えています。重要なことの1つは、ゼロゲートバイアスでデバイスをターンオフできることです。そのため、SiCトランジスタのコンセプトは、現時点では唯一の本当の「ノーマリーオフ」デバイスとなっています。
優れたゲート酸化物の信頼性と安定性に加え、堅牢なボディダイオードは、市場で入手可能なSiC製MOSFETと比べたときに、CoolSiC ™ MOSFETの主要な特徴となります。
| ハードスイッチングトポロジー | ソフトスイッチングトポロジー |
| • 高速スイッチングでも低スイッチングロス |
• スイッチング損失が少なく、設計が容易 • 0Vターンオフが使用でき、0Vターンオフで動作するSJ MOSFET（Infineon社のCoolMOS™など）などの設計経験があるLLCやZVSの設計者にとって重要 |
ボディダイオード：構造的に内蔵される部品
IGBTとは対照的に、CoolSiC™デバイスのような縦型構造のMOSFETは、(ボディダイオードを介して) 逆モードの伝導を提供します。したがって、フリーホイールダイオードとして使用することができます。しかし、SiCのバンドギャップのため、このダイオードのニー電圧は比較的高くなります (約3V）。
すべてのCoolSiC™ MOSFET（インフィニオンのSiCモジュールにパッケージされているか、または、インフィニオンのSiCディスクリートポートフォリオに属している）はボディダイオードが統合されています。追加のショットキーダイオードは必要ありません。
ダイオードは、典型的なフリーホイール機能に使用できます。また、ショットキーバリアダイオード(SBD)なしでも使用可能です。低伝導損失を実現するためには、同期整流 (短いデッドタイムの後にダイオードモードでチャネルをオン) の使用が必須です。
CoolSiC™ MOSFETボディダイオードは、ハードコミュテーションで使用することができて7x Inom 10 msのサージ電流に耐える高い堅牢性を備えています。長期的に安定しており、データシートの限界値でもドリフトしないことが証明されています。インフィニオンは、デバイスのパラメータであるRDS(on)とVSDが、動作寿命の間、データシートの制限内であることを以下の方法で保証しています。
- 欠陥密度低減のための最適化されたスクリーニングプロセス
- 100%ファイナル・クリアランス・テスト(FCT)による低DPM率の検証
さらにご理解頂くために、技術資料をご覧ください。
炭化ケイ素製のトレンチ型MOSFETは、エネルギー効率の高い世界に向けた次のステップであり、電力変換システムの劇的な改善をもたらします。
製品リリーズプロセスで、目標寿命と品質要求を達成するために、インフィニオンがどのようにしてSiCベースのパワー半導体の信頼性制御し、保証しているのかに関してお読みください。
先進的な設計では、特定技術の主要なベンチマークパラメータとして、オン抵抗の分野に注目しています。しかし、抵抗値やスイッチング損失などの主要な性能指標と、十分な信頼性など実際のパワーエレクトロニクス設計に関連する付加的な側面との間で、適切なバランスを見つけることが不可欠です。
SiC (シリコンカーバイド) トランジスターは、サイズ、重量、効率に対する要求が高いパワーコンバータでの使用が増えています。SiCの優れた材料特性は、バイポーラIGBTデバイスとは対照的に、高速スイッチングのユニポーラデバイスの設計を可能にします。そのため、低電圧（600V以下）の世界でしか実現できなかったソリューションが、高電圧でも実現できるようになりました。
CoolSiC™ ショットキーダイオード
インフィニオンは、世界初の商用炭化ケイ素 (SiC) デバイスサプライヤーです。長年にわたる市場での実績と経験により、インフィニオンは信頼性の高い、業界をリードするSiC性能を提供しています。炭化ケイ素とシリコンの材料特性の違いにより、実用的なシリコン製ユニポーラダイオード (ショットキーダイオード) の製造は、 100V～150Vまでの範囲に限られ、オン状態の抵抗値やリーク電流も比較的大きくなります。SiC材料のショットキーダイオードは、はるかに高いブレークダウン電圧に達することができます。インフィニオンの炭化ケイ素 (SiC) 製品のポートフォリオは、600Vおよび650Vから1200Vのショットキー・ダイオードをカバーしています。
CoolSiC™ ハイブリッドデバイス
シリコンベースのスイッチとCoolSiC™ショットキーダイオードの組み合わせは、「ハイブリッドソリューション」と呼ばれています。
シリコンIGBTと比較して、ターンオン時の損失を低減することができます。さらに、より高いスイッチング周波数と高い電流処理能力を実現することができます。このチップを単独で使用するか、シリコンパワーデバイスと組み合わせてパワーモジュールとして使用することで、最高の電力密度と効率を実現できます。特にSiCダイオードは、IGBT技術の可能性をさらに広げる部品です。
| CoolSiC™ ハイブリッドモジュール | CoolSiC™ Hybrid Discretes |
| よく知られているEasyPACK™のハイブリッドモジュールには、ブースターと3レベルの構成があります。この製品ラインアップは、SiCダイオードとIGBTチップが理想的なペアを形成し、太陽エネルギーシステムなどの対象となるアプリケーションで最高の性能を発揮するパワーモジュールで構成されています。 SiC部品を使用したパワーモジュールの数は、SiCダイオードとシリコントランジスタの組み合わせや、CoolSiC™技術を使用したSiCベースのトランジスタを使用した部品によって、段階的に補完されていきます。アプリケーションのパワーに関わらず、当社のパワーモジュールSiCの製品ラインアップは、EasyPACK™ 1B/2BのようなパッケージからEasyPACK™ 3Bのような大型パッケージまで、より効率的な設計を可能にします。 |
CoolSiC™ Hybrid Discretesは、確立された2つの業界最高クラスの半導体技術を組み合わせたものです。650 V TRENCHSTOP™ 5 IGBTとCoolSiC™ ショットキーダイオードG6です。結果として得られた製品は、シリコンカーバイドスイッチに似た性能を持ちながら、魅力的な価格で提供されます。 |
FIT率とゲート酸化膜の信頼性
SiCでFIT率を下げる（ハードフェイルを定量化する）には、2つの影響要因を考慮する必要があります。
- 宇宙線の影響 (Siデバイスと同様)
- ゲート酸化膜の信頼性（酸化膜の電界ストレスによる）
FIT率とゲート酸化膜の信頼性
SiCでFIT率を下げる（ハードフェイルを定量化する）には、2つの影響要因を考慮する必要があります。
· 宇宙線の影響 (Siデバイスと同様)
· ゲート酸化膜の信頼性（酸化膜の電界ストレスによる）
宇宙線の安定性は、通常、ドリフトゾーンの電界分布を最適化することで達成される。しかし、酸化物のFIT率を下げるためには、電気的に活性な欠陥を効果的にスクリーニングする必要があります。基本的に、SiとSiCのMOSFETは、欠陥に関連する不純物、すなわち外在性欠陥を含まない限り、ほぼ同じ固有酸化物寿命を有しています。SiCのMOSFETは、SiのMOSFETとは対照的に、ゲート酸化膜の外在性欠陥密度が非常に高い。外在性欠陥のあるデバイスは、無欠陥のデバイスに比べて早く壊れてしまいます。SiC MOSFETのゲート酸化膜の信頼性を十分に確保するためには、電気的なスクリーニングによって、外部欠陥の影響を受けるデバイスの数を減らすことが課題となります。各デバイスにはゲートストレスパターンが適用され、重大な外部欠陥があるデバイスは破壊されます。その結果、効率的なゲート酸化膜のスクリーニングを可能にするのは、固有の寿命目標を満たすために一般的に必要とされるよりもはるかに高い公称酸化膜の厚さが必要でであり、ゲート酸化膜のFIT率とデバイスの性能との間にトレードオフが生じます。
インフィニオンは、SiC技術をさらに向上させるために、電気的にスクリーニングされたSiC MOSFETのオン状態の酸化膜の信頼性と、SiCパワーデバイスの電界状態によるオフ状態の酸化膜ストレスのテストに多くの投資を行いました。
インフィニオンは以下の実績を誇っております。
- ゲート酸化膜の厚さが最適化されているため、競合するSiC MOSFETメーカーに比べ、当社のゲート酸化膜スクリーニングの方が効率的です。
- 製品寿命期間においてゲート酸化膜の故障率が低く、初期故障がないということは、顧客側でのゲート酸化膜の品質が可能な限り高くなります。
SILTECTRA™ - 革新的な分割技術
2018年、インフィニオンはスタートアップのSILTECTRA™を買収し、革新的なレーザーベースの材料分離技術を薄型ウェハ技術のコンピテンシーに統合しました。SILTECTRA™ COLD SPLIT技術は、一般的なソーイング技術と比較して、材料の損失を最小限に抑えて、炭化ケイ素のような結晶材料を分割します。
Value proposition of SiC
For more than twenty years, Infineon has been at the forefront of developing solutions addressing demands for energy savings, size reduction, system integration and improved reliability in its products.
One of the most revolutionary developments was the use of SiC as a main compound in some of its devices.
Infineon is the world’s first SiC discrete power supplier.
It was the global pioneer in SiC technology and commercialization.
In this training we will present one of the most successful solutions that Infineon’s developed in this field.
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