耐圧20,000ボルト（世界最高）の半導体素子を実現

2012年6月4日

木本教授

　木本恒暢工学研究科教授、須田淳同准教授、丹羽弘樹同修士課程学生のグループは、SiC（炭化珪素）半導体を用いて、世界最高となる20,000ボルトの電圧に耐える整流素子を作製することに成功しました。電力の送電、変電などの変換器には超高耐圧の半導体素子が必要となりますが、現在使われているSi（珪素：シリコン）では材料の性質に起因する制約のため、6,000～8,000ボルト程度の耐圧が限界です。SiCはSiより絶縁破壊や熱に強いという特長を有しており、次世代の電力変換用半導体として世界的に注目されています。

　今回、独自のSiCの結晶成長技術と加工技術、電界集中を緩和する構造の採用、および表面保護技術を集約し、20,000ボルト以上の耐圧を示すPiNダイオード（整流素子）を実現しました。

　この研究成果の詳細は、6月3～7日にベルギー国ブルージュで開催の米国電気電子学会（IEEE）主催のパワー半導体デバイス国際シンポジウム（2012 International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, ISPSD2012）にて発表されました。

概要

　本学は、SiC半導体研究の世界的パイオニアとして認識されています。今回、独自のSiCの結晶成長技術と加工技術、電界集中を緩和する構造の採用、および表面保護技術を集約し、20,000ボルト以上の耐圧を示すPiNダイオード（整流素子）を実現しました。
今回の成果を得る上で重要なポイントは以下の通りです。

180ミクロンの厚さを有する高純度SiC結晶を用いました（従来は10～50ミクロン）。これにより、超高耐圧を得るための下地を完成させました。
電界集中を緩和する独自の素子構造（空間変調型接合終端構造）を用い、高精度数値解析によって構造の最適設計を行いました。この結果、1.で作製した結晶に対して理想的な高耐圧を達成しました。
ポリイミド膜を用いた表面保護を施し、表面での放電を抑制しました。

　特に、上記2.の素子構造の工夫が重要です。通常の素子では、接合端部などで電界が局所的に高くなるため（電界集中と呼ばれる）、結晶の厚さと不純物密度で決まる理論耐圧よりかなり低い電圧で素子は絶縁破壊を起こします。特に、今回のような超高耐圧素子では、理論値の約半分（50％）程度の耐圧しか得られないことが多く、超高耐圧素子の実現を阻んでいました。本研究では、電界集中を緩和させるのに有効な構造を考案し、炭化珪素で構成されたpn接合の周辺部に、局所的にアルミニウムを適切な密度でイオン注入を行った構造を形成することで、20,000ボルト以上の耐圧を達成しました。今回得られた耐圧（約22,000ボルト）は、理論耐圧の80％以上に達しています。今後、SiC単結晶の厚さをさらに増やすことにより、30,000ボルト以上の耐圧を達成することも視野に入ってきました。

　多くの半導体素子はSiを中心に発展してきましたが、特にパワーデバイス分野では材料の性質で決まる理論的性能限界に近づいています。SiCは絶縁破壊や熱に対する耐性が著しく優れており、高耐圧・低損失（高効率）パワーデバイス用材料として世界で研究開発競争が熾烈になっています。本学では高品質結晶、物性制御からデバイスの設計と作製の研究に一貫して取り組み、今回の世界最高耐圧を達成しました。今回の超高耐圧SiC素子の実現により、電力系統の変換器の大幅な小型化が期待され、当該分野の研究開発が一層活発になるものと考えられます。

図： SiC厚膜成長層を用い、空間変調を取り入れた接合終端構造を適用したPiNダイオードの特性。21.7kVの超高耐圧を達成した。

学術的・社会的重要性と波及効果

　本研究は、SiCに限らず、いかなる半導体素子の中で最高の耐圧を達成したことに意義があります。超高耐圧の素子が要求される応用の一例として、紀伊水道の海底ケーブルを用いた高電圧直流送電（HVDC）や、東日本（50ヘルツ）／西日本（60ヘルツ）の周波数変換が挙げられます。このような電力変換システムでは、100,000～300,000ボルトの電気が扱われます。また、住宅近隣の電柱を介する架線（配電系統）でも6,600ボルトの電気が使われており、これを100～200ボルトに変換する場合には、20,000ボルトの電圧に耐える半導体素子が必要です。従来は、このような超高耐圧の素子は存在しなかったために（6,000～8,000ボルトが限界）、耐圧数千ボルト級の素子を多段階に接続することで、電力変換を行ってきました。しかしながら、この方法では、設備が非常に大きくなる、電力変換時の損失が大きい、変換器の信頼性が低下するなどの問題が深刻化していました。

　上記の問題を解決するために、近年、SiCを用いた超高耐圧素子の研究開発が活発化してきましたが、その耐圧は10,000ボルト程度に留まっていました（米国クリー社、本学など）。今回の研究により20,000ボルトの壁を突破したことは、当該分野に大きなインパクトを与えると考えられます。本研究が進展し、超高耐圧SiC素子の実用化が開始されれば、高電圧電力変換設備の大幅な小型化と低損失化、低コスト化が実現できます。低損失化については、日本だけで原子力発電所1～2基分の電力を節約できると期待されています。小型、低損失の超高耐圧電力変換器が実現できれば、将来のスマートグリッドの構築に大きく貢献します。

本研究は、日本学術振興会から最先端研究開発支援プログラムおよび科学研究費補助金の助成を受けました。

朝日新聞（6月4日 30面）、京都新聞（6月4日 3面）、産経新聞（6月4日 2面）、日刊工業新聞（6月20日 21面）、日本経済新聞（6月5日 12面）および毎日新聞（6月4日 2面）に掲載されました。