SiC半導体の進化について

新世代の半導体スイッチ技術の目標は、「より速く」でSiC半導体も例外ではありません。 次世代のワイドバンドギャップ技術は、多くのアプリケーション分野で効率、サイズ、およびコストのさらなる改善を約束します。

「世代」は歴史上さまざまな意味を持っています。 1965年、ロックバンド「ザ・フー」は「私の世代について」話し、過激な音楽ととんでもない行動でそのバンド設立を驚かせました。 しかし、テクノロジーは同じ速度で変化していませんでした。 トランジスターは1世代前の1945年に発明されましたが、ポケット電卓が登場するまでにはさらに5年、モトローラが最初の「携帯電話」を販売するまでにはさらに15年かかりました。

今日、技術の「世代」は急速に変化しています。5Gはすでに現実的になっており、6Gの開発はすでに始まっています。これは2年以上前のことです。半導体のパワースイッチも同じように SiCとGaNを中心としたワイドバンドギャップデバイスの開発が進んでいます。SiCは、6年前の商業的始まりから今日の第3世代へと飛躍し、特にノックオンのメリットを考慮した場合、Siスイッチと同等の価格が見込まれています。たとえば、最新のカスコード超高速のノーマルオフSiC-FETは、IGBTやSi-MOSFETと同じように駆動と使用が簡単ですが、速度が劇的に向上し、静的損失と動的損失がはるかに低くなります。 Qorvoのデバイスのクラストップのオン抵抗は、1200Vデバイスで9mΩ未満、650Vバージョンで7mΩ未満になり、DFN8x8などの新しいパッケージが導入され、内部インダクタンスと熱抵抗が低いSiC性能を活かしています。

SiCの利点は、バンドギャップが広く、ブレークダウン電圧と温度定格を向上させていたので、最初から明らかでした。さらに優れているのは、「Rds.A」の数値で、同じ電圧クラスのSi-MOSFETより2.5倍、IGBTより13倍優れており、デバイスの容量が低いためスイッチング・エネルギー損失が低く、熱伝導率はシリコンの10倍です。

これにより、5Gやデータセンターのようなスペースに制約がありエネルギーに配慮した分野では低損失性が牽引し、電気自動車ではトラクションインバーターの効率が向上することでヒートシンクのサイズとコストが小さくなり、車の航続距離が向上するなど、SiC半導体の幅広い用途が開かれています。しかし、SiC-FETには、家庭用や業務用のソリッドステート遮断器、回路保護、さらにはリニア動作など、他のアプリケーションにも理想的な特性があります。対象となる分野は、航空宇宙、IT、産業、家庭用、再生可能エネルギーなど、冷却ができなくても効率が良く、コスト、サイズ、環境への負荷を低減する必要がある分野まで多岐にわたっています。

しかし、SiC半導体はまだ 進化曲線の始まりで、それはどこまで進むことができるのでしょうか？システム 技術者は熱心に調査を待ち望んでいますが、我々はいくつかの予測を立てることができます。 これは、これまでのSiC半導体の進化がかつてのSiデバイスの進化に似ていることを踏まえたものです。

セルの設計は Rdsをさらに改良したもので洗練されたものになります。性能指数、つまり、ダイが小さく、スイッチングが速く、オン抵抗が小さいことを意味しますが、 ダイサイズを小さくすると、デバイスの静電容量が小さくなります。これは、スイッチング中に失われるエネルギーが少なくなり、ゲートドライブの損失が少なくなることを意味します。 定格電圧は1700V以上に増加し、数kVで定格が可能な「スタックカスコード」の使用が増えます。電流定格が増加し、従来のボンドリードパッケージの限界に達するため、リードレスデバイスが一般的になります。

そしてリードレスパッケージではより高いスイッチング周波数が可能です。 ただし、TO-247の3リードおよび4リードのパッケージは、レガシー設計のIGBTおよびSi-MOSFETのドロップイン代替品として引き続き使用できます。 技術が成熟するにつれて、信頼性がますます実証され、歩留まりが向上し、ダイサイズが縮小するにつれて、コストの削減が期待できます。

SiC半導体技術の進歩に伴い、課題が待ち受けています。例えば、ウェハーは、高い処理温度に対応するために厚くする必要があり、それに伴ってコストも高くなります。しかし、Qorvoはロードマップを策定しており、SiC-FETの第四世代のデバイスもリリースしています。

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