SiCパワー半導体素子における硫黄元素の効果
三菱電機と東京大学は2018年12月4日、パワーエレクトロニクス機器に搭載されるSiCパワー半導体素子において、外部からの電磁ノイズの影響を受けにくい動作原理を世界で初めて考案したと発表した。この動作原理を適用すれば、SiCパワー半導体素子の誤動作が低減し、パワーエレクトロニクス機器の信頼性を高めるられるという。
近年、家電製品や産業・鉄道車両用機器などで使用されるパワーエレクトロニクス機器は、さらなる高効率・小型化・高信頼性が要求されている。このニーズに応えるため、パワーエレクトロニクス機器において重要なパワー半導体モジュールの素子に、従来のSi（ケイ素）パワー半導体素子に比べ抵抗が低いSiC（炭化ケイ素）パワー半導体素子を採用し、電力損失の低減を図る動きが広がっている。
しかし、SiCパワー半導体素子の低抵抗化をさらに進めると、スイッチング動作開始時の制御電圧が低下。外部からの電磁ノイズによる、素子の誤動作が増加する。そのため、電磁ノイズの影響が少ない素子の開発が進められている。
三菱電機と東京大学は昨年、SiCパワー半導体素子において、電子の流れをゲート酸化膜とSiCとの界面下に存在する電荷から遠ざけることで電子散乱を抑制し、界面下の抵抗を低減できることを解明した。今回、この知見をもとに、ゲート酸化膜との界面から通電領域を離して形成するため、界面近傍に硫黄元素を加えた。従来から用いられている窒素やリンなどとは異なり、硫黄元素はSiC結晶内で電子を放出しにくい性質がある。
その結果、ゲート酸化膜に沿う方向に流れる電子の一部が硫黄元素に捕獲され、電気伝導に寄与しなくなることを確認した。そして研究グループは、この現象をもとに素子に加えた硫黄元素の分布を最適化することで、SiCパワー半導体素子のスイッチング動作開始時の制御電圧を高くする動作原理を世界で初めて考案した。
また、評価用素子を作製し、ゲート酸化膜とSiCとの界面近傍における電子散乱について、磁場を用いた半導体評価技術により測定・検証を行い、SiCパワー半導体素子の特性と合わせて解析したところ、想定した動作が得られたという。
素子電流と動作開始電圧の関係
一方、SiCパワー半導体素子を動作させるためには、制御電圧を印加して電気伝導に必要な電子をゲート酸化膜とSiCとの界面近傍に誘起させる必要がある。硫黄元素を加えることで一部の電子が捕獲されるので、印加する制御電圧を従来よりも大きくして、電気伝導に必要な電子をより多く供給しなければならない。
これにより、スイッチング動作時などの電気伝導が始まる動作開始電圧が増加。外部からSiCパワー半導体素子に印加される電磁ノイズによる素子の誤動作抑制につながった。また、研究グループはSiCパワー半導体素子において、素子抵抗を増加させることなく、2.5Vから4.0Vのより高い動作開始電圧が得られることをそれぞれ実証した。
素子抵抗と動作開始電圧の関係
今後、三菱電機はこの研究をもとに、SiC-MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果型トランジスター）の設計と試作評価を実施。動作開始時の制御電圧の更なる向上を目指すという。
