車載トラクションインバーター向け、低オン抵抗と高信頼性を実現した1200V耐圧SiC MOSFETのベアダイのテストサンプル出荷について [東芝デバイス＆ストレージ]

2024/11/12　株式会社　東芝　

車載トラクションインバーター向け、低オン抵抗と高信頼性を実現した1200V耐圧SiC MOSFETのベアダイのテストサンプル出荷について

2024年11月12日

東芝デバイス＆ストレージ株式会社

当社は、車載トラクションインバーター^[注1]向けに、新構造で低オン抵抗と高信頼性を両立した1200V耐圧シリコンカーバイド (SiC) MOSFETのベアダイ^[注2]製品「X5M007E120」を開発し、テストサンプル出荷を開始しました。

一般的なSiC MOSFETは、逆導通動作^[注3]時にボディーダイオードがバイポーラー通電するとオン抵抗が増大していく信頼性の課題がありました。当社のSiC MOSFETは、MOSFETチップにショットキーバリアダイオード (SBD) を内蔵することで、ボディーダイオードが動作しないように対策したデバイス構造を採用しています。しかしながら、内蔵SBDがチップ面積の一部を占有することは、MOSFETのオン動作の抵抗を決めるチャネル領域の面積を減少させ、チップのオン抵抗の上昇に直結します。

X5M007E120は、内蔵SBDの配置を従来のストライプ配置から市松模様に変更することで、ボディーダイオードのバイポーラー通電^[注4]を効果的に抑制し、同じSBD搭載面積でも約2倍の電流範囲までユニポーラー動作の上限が向上しました^[注5]。また、チャネル密度が向上し、単位面積当たりのオン抵抗が、ストライプ配置の従来プロセスと比較して20%～30%程度低減しました^[注5]。これにより、逆導通動作時の信頼性を保ちながら、オン抵抗の低減を実現し、車載トラクションインバーターなど、モーター制御用インバーターの用途で省エネルギー化に貢献します。

SiC MOSFETのオン抵抗を低減すると、短絡動作^[注6]時にMOSFET部に過剰に流れる電流が増加するため、短絡動作の耐久性が低下します。また、逆導通動作の信頼性向上のために内蔵SBDを動作しやすくすると、短絡動作時にSBD部の漏れ電流が増加し、短絡動作の耐久性の低下につながります。開発製品は、深いバリア構造^[注7]を採用することで、短絡動作中のMOSFET部の過剰な電流とSBD部の漏れ電流を抑制します。これにより、逆導通動作に対する優れた信頼性を保ちながら、短絡動作時の耐久性を向上することが可能です。

また、ベアダイを採用することで、ユーザーのニーズに応じたカスタマイズが可能となり、用途に合わせたソリューションを提供できます。

当社は、X5M007E120のエンジニアリングサンプルの出荷を2025年に、量産出荷を2026年に予定しており、さらなる特性改善に向けた検討を進めていきます。モーター制御用インバーターや電動車両の電力制御システムなど、エネルギー効率が求められる分野での活用に向け、より使いやすく、高性能なパワー半導体をユーザーに提供することで、脱炭素社会の実現に貢献します。

[注1] 電気自動車 (EV) やハイブリッド車 (HEV) で、バッテリーから供給される直流電力を交流電力に変換し、モーターを制御する装置。
[注2] パッケージ化されていないチップ状態の製品。
[注3] 回路中の電流の還流によってMOSFETのソースからドレイン方向に電流が流れる動作。
[注4] ドレインとソースの間に存在するpnダイオードに順方向電圧が印加されてバイポーラー動作が起こること。
[注5] 当社従来ストライプ配置製品との比較。
[注6] 正常スイッチング動作時の短時間の導通に対して、制御回路の故障などの異常時に長時間の導通が起こる現象。一定時間の短絡動作で故障しない耐久性が求められます。
[注7] 高電圧による高電界をコントロールするために設けられる、デバイス構造の要素。素子の性能に大きく影響します。

図1 外観 (トップビュー) と内部回路構成図

図2 従来のストライプ配置型SBD内蔵MOSFETと市松模様SBD配置型SBD内蔵MOSFETとの模式図

図3 従来のストライプ配置型SBD内蔵MOSFETと市松模様SBD配置型SBD内蔵MOSFETの最大ユニポーラー伝導電流密度とオン抵抗の実測値 (当社調べ)

図4 一般的なSiC MOSFETと東芝のSiC MOSFET (MOSFETチップにSBDを内蔵したMOSFET) の比較

図5 従来の市松模様SBD配置型SBD内蔵MOSFETと深いバリア構造MOSFETの模式図

図6 従来のストライプ配置型SBD内蔵MOSFETと深いバリア構造MOSFETの短絡耐量とオン抵抗の実測値 (当社調べ)

応用機器

車載トラクションインバーター

開発製品の主な特長

低オン抵抗と高信頼性を同時に実現
車載向けベアダイ
AEC-Q101適合
ドレイン・ソース間電圧定格: V_DSS=1200V
ドレイン電流 (DC) 定格: I_D=(229)A^[注8]
オン抵抗が低い:
R_DS(ON)=7.2mΩ (typ.) (V_GS=＋18V、T_a=25°C)
R_DS(ON)=12.1mΩ (typ.) (V_GS=＋18V、T_a=175°C)

[注8] 暫定値

開発製品の主な仕様

(特に指定のない限り、T_a=25°C)

品番				X5M007E120
パッケージ	東芝パッケージ名称			2-7Q1A
パッケージ	サイズ (mm)		Typ.	6.0×7.0
絶対最大定格	ドレイン・ソース間電圧 V_DSS (V)			1200
	ゲート・ソース間電圧 V_GSS (V)			+25/-10
	ドレイン電流 (DC) I_D (A)			(229)^[注8]
	ドレイン電流 (パルス) I_{D Pulse} (A)			(458)^[注8]
	チャネル温度 T_ch (°C)			175
電気的特性	ゲートしきい値電圧 V_th (V)	V_DS=10V、 I_D=16.8mA	Typ.	4.0
	ドレイン・ソース間オン抵抗 R_DS(on) (mΩ)	I_D=50A、 V_GS=+18V	Typ.	7.2
	ドレイン・ソース間オン抵抗 R_DS(on) (mΩ)	I_D=50A、 V_GS=+18V、 T_a=175°C	Typ.	12.1
	ソース・ドレイン間オフ電圧 V_SD (V)	I_SD=50A、 V_GS=-5V	Typ.	-1.21
	ソース・ドレイン間オフ電圧 V_SD (V)	I_SD=50A、 V_GS=-5V、 T_a=175°C	Typ.	-1.40
	内部ゲート抵抗 r_g (Ω)	Open drain、 f=1MHz	Typ.	3.0