Recent technological trends in power semiconductor devices for high-temperature operations and their application technologies.
| ■ 発 刊：2024年11月29日 ■ 定 価：66,000円（税込） ■ 体 裁：B5版 並製本 267頁（予定） ■ 発 行：R＆D支援センター ISBN 978-4-905507-74-1 |
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購入方法
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著 者
監修 筑波大学 数理物質系 教授 岩室 憲幸 氏
著者 ※敬称略
岩室 憲幸 筑波大学
山本 秀和 グリーンパワー山本研究所
大谷 昇 関西大学
加藤 正史 名古屋工業大学
乙木 洋平 名古屋大学
田中 亮 富士電機㈱
蔵口 雅彦 ㈱東芝
上村 崇史 情報通信研究機構
郷司 浩市 ㈱P-SAT
野村 和宏 NBリサーチ
山本 圭 三菱電機㈱
山田 靖 大同大学
永田 正義 兵庫県立大学
大元 靖理 名古屋大学
今岡 淳 名古屋大学
米澤 遊 名古屋大学
著者 ※敬称略
岩室 憲幸 筑波大学
山本 秀和 グリーンパワー山本研究所
大谷 昇 関西大学
加藤 正史 名古屋工業大学
乙木 洋平 名古屋大学
田中 亮 富士電機㈱
蔵口 雅彦 ㈱東芝
上村 崇史 情報通信研究機構
郷司 浩市 ㈱P-SAT
野村 和宏 NBリサーチ
山本 圭 三菱電機㈱
山田 靖 大同大学
永田 正義 兵庫県立大学
大元 靖理 名古屋大学
今岡 淳 名古屋大学
米澤 遊 名古屋大学
発刊にあたって
本書『パワーデバイスの最新開発動向と高温対策および利用技術』では、現在の主役であるシリコンパワー半導体ならびにワイドバンドギャップパワー半導体デバイス技術に焦点を当てて編集した。SiC、GaNならびにGa2O3半導体結晶から最新デバイス技術に至るまで詳細に紹介している。さらに、これらパワー半導体デバイスの高性能特性を十分に引き出すための最新回路技術ならびに実装技術についても詳細に解説しており幅広い内容を網羅することができた。脱炭素社会の実現に向けて次世代パワー半導体デバイスの普及をいかに拡大させるか、本書が役立つことを大いに期待したい。
（はじめに より一部抜粋）
本書の特徴
★ Si/SiC/GaN/Ga2O3パワーデバイスの現状・課題と最新動向
★ パワーデバイスの高温対策に向けた実装・パッケージング技術
★ パワーデバイスの利用に向けた低損失回路設計
目 次
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第１章 シリコン系パワーデバイスの現状と今後の展望
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1節 MOSFETの現状と今後の展望
1 パワー半導体デバイスの役割と要求される特性
2 MOSFETの構造とその電流・電圧特性
3 MOSFETのオン抵抗
4 シリコンMOSFETの最新技術
4.1 低耐圧MOSFET
4.2 高耐圧MOSFET
第2節 IGBTの現状と今後の展望
1 IGBTの構造とその電流・電圧特性
2 IGBTチップの進展
3 薄ウェハ化技術の限界と次世代IGBT実現に向けての技術開発
4 今後の展開
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第2章 SiC系パワーデバイスの現状・課題と最新動向
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1節 SiCパワーデバイスの優位性と課題
1 はじめに
2 SiCパワーデバイスの優位性
2.1 パワーデバイスとしてのポテンシャル
2.2 パワーデバイスの高温動作化
2.3 パワーデバイスの低オン抵抗化
2.4 パワーデバイスの構造とスイッチング損失の低減
2.5 SiC-MOSFETの電流-電圧特性
3 SiCパワーデバイスの課題
3.1 SiC単結晶/ウェハの製造技術
3.2 SiCパワーチップ製造プロセス
3.3 SiCパワーデバイスにおけるバイポーラ劣化
3.4 SiCパワーMOSFETのチャネル移動度
3.5 パワーモジュールの高温動作化
4 パワーエレクトロニクス機器の信頼性
4.1 パワーエレクトロニクス機器の故障モード
4.2 SiCパワーMOSFETの信頼性への不安
5 SiCパワーデバイスの市場動向
6 おわりに
第2節 SiC単結晶ウェハ製造の結晶成長技術と加工技術
1 はじめに
2 昇華再結晶法によるSiC単結晶成長
3 SiC単結晶のその他の結晶成長方法
4 SiC単結晶のウェハ化加工
5 おわりに
第3節 SiCパワーデバイスの高性能化・高信頼化
1 SiCパワーデバイスの高性能化
1.1 ユニポーラSiCパワーデバイス
1.2 バイポーラSiCパワーデバイス
1.3 他のSiCパワーデバイス性能因子
2 SiCパワーデバイスの高信頼化
2.1 酸化膜信頼性
2.2 バイポーラ劣化
2.3 破壊耐量
3 まとめと今後の展望
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第3章 GaN系パワーデバイスの現状・課題と最新動向
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1節 GaNパワーデバイス用エピタキシャルウエハの現状と課題
1 はじめに
2 GaNエピタキシャルウエハ
3 エピタキシャル成長法
4 HEMT構造エピウエハ
5 縦型パワーデバイスGaN基板と高純度厚膜成長技術
第2節 縦型GaNパワーデバイスの特徴と最新動向
1 背景
2 縦型GaNダイオードの構造と報告事例
3 縦型GaNトランジスタの構造と報告事例
4 縦型GaNパワーデバイス実用化への課題
4.1 GaNへのp型イオン注入技術の現状と課題
4.2 GaN-MOS界面制御技術の現状と課題
5 まとめ
第3節 MOS型GaNパワーデバイスの特徴と最新動向
1 MOS型GaNパワーデバイスの特徴
2 MOS型GaNデバイスにおけるチャネル移動度の向上
3 MOS型GaNデバイスにおける信頼性の向上
4 まとめ
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第4章 酸化ガリウムパワーデバイスの現状・課題と最新動向
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1節 Ga2O3パワーデバイスの基礎とプロセス技術
1 背景
1.1 ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
2 酸化ガリウム（Ga2O3）の材料特性
2.1 結晶多形
2.2 β-Ga2O3の材料特性
2.3 不純物ドーピング
3 バルク単結晶育成技術
4 デバイスプロセス技術
4.1 ドーピング
4.2 エッチング技術
5 β-Ga2O3の材料的課題と解決指針
5.1 p型伝導を代替する取り組み
5.2 低熱伝導率材料のためのヒートシンクによる熱管理
第2節 Ga2O3パワーデバイスの開発動向
1 はじめに
2 β-Ga2O3ショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diode：SBD）
2.1 ガードリング構造β-Ga2O3 SBD
2.2 トレンチ構造β-Ga2O3 SBD
2.3 ベベル構造β-Ga2O3 SBD
2.4 pnヘテロ接合NiO/β-Ga2O3ダイオード
2.5 β-Ga2O3 SBDとSi SBDの比較
2.6 β-Ga2O3 SBD結言
3 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：MOSFET）
3.1 横型高周波（RF）β-Ga2O3 MOSFET
3.2 縦型β-Ga2O3 MOSFET
4 β-Ga2O3デバイス熱管理のための放熱技術
4.1 異種基板上貼り付け技術
4.2 デバイス表面からの放熱
5 おわりに
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第5章 パワーデバイスの高温対策に向けた実装・パッケージング
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1節 パワーモジュールの放熱冷却構造
1 伝統的な片面間接冷却パワーモジュール構造
1.1 材料の熱性能を高めるアプローチ
1.2 放熱パスから一部の構成材料を省くアプローチ
2 高温動作に対応した片面直接冷却パワーモジュール構造
2.1 Cuワイヤボンディングと代替策
2.2 焼結Agダイアタッチ材
3 Cuクリップと絶縁セラミック基板を用いたモールドタイプ片面間接冷却モジュール構造
4 各種モールドタイプ両面液冷モジュール構造
5 片面（上面）間接冷却ディスクリートモールドパッケージなど
6 おわりに
第2節 パワーデバイス封止材の設計と耐熱性、熱伝導性の向上
1 はじめに
2 パワーデバイスとは
3 パワーデバイス用封止材
3.1 パワーデバイス用封止材の要求特性
4 パワーデバイスの技術トレンド
5 次世代パワーモジュール用封止材
5.1 次世代パワーモジュール封止材の要求特性
6 おわりに
第3節 セラミックス・有機材料を複合化した高熱伝導絶縁材料の開発動向と高放熱化
1 パワーモジュールの構造と絶縁材料
1.1 パワーモジュール向け絶縁層の現状
2 有機絶縁型パワーモジュールの深化
2.1 有機絶縁型パワーモジュールの変遷
2.2 有機絶縁層を有する新型パワーモジュール
第4節 次世代パワー半導体高温動作用接合技術
1 パワー半導体の高温動作の狙い
2 高温動作用接合技術の概要
3 熱特性
3.1 方法
3.2 結果
4 信頼性
4.1 信頼性試験の概要
4.2 パワーサイクル信頼性
4.3 冷熱サイクル信頼性
4.4 エレクトロマイグレーション信頼性
5 特性評価法
5.1 特性評価法の必要性
5.2 ヤング率の測定
5.3 熱膨張係数の測定
6 高温動作パワーモジュール
7 まとめ
第5節 パワーモジュールの高密度実装に向けた絶縁設計と評価法
1 はじめに
2 パワーモジュールの部分放電と絶縁構造
2.1 部分放電の発生メカニズムと予測
2.2 パワーモジュールの耐電圧構造
2.3 パワーモジュールの絶縁弱点部位と対策
3 パワーモジュールの絶縁信頼性評価法
3.1 パワーモジュール評価試験の規格
3.2 パワーモジュールの部分放電計測
3.3 回路基板の部分放電計測
4 まとめ
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第6章 パワーデバイスの利用に向けた低損失回路設計
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1節 電力変換回路の変調、制御の基礎
1 はじめに
1.1 本節で扱う「制御」について
1.2 フィードバック制御と本節の内容
2 変調器（Fm）
2.1 変調方式
2.2 PWMキャリア波
3 プラント（Gdv (s)）
3.1 プラントの表現方法
3.2 PWM制御型DCDCコンバータの伝達関数
3.3 PWM制御型DCDCコンバータのプラント特性
4 センサ（Hv (s)）
4.1 制御設計におけるセンサの重要性
4.2 検出特性
4.3 ノイズフィルタ
5 位相補償器（Cv (s)）
5.1 位相補償器の役割
5.2 位相補償器の種類
6 制御設計の例
7 おわりに
第2節 パワーエレクトロニクス機器の伝導ノイズ発生要因とノイズ低減技術の基本
1 はじめに
2 パワエレ機器から生じるノイズの発生要因とその低減技術の基本
2.1 パワエレ機器のノイズの発生要因
2.2 ノイズ低減技術の基本
3 伝導ノイズの基礎実験評価結果
4 おわりに
第3節 高密度・高性能化が要求される情報システムにおけるパワーデバイス活用技術
1 情報処理システムにおける電力システムとパワーデバイス活用箇所
2 サーバの電力変換回路の高密度化とその技術
2.1 AC-DC電力変換回路の高密度化技術
2.2 メインボードの電源高密度化技術
3 パワーデバイスに必要とされる技術とGaNデバイスへの期待
第１章 シリコン系パワーデバイスの現状と今後の展望
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第1節 MOSFETの現状と今後の展望
1 パワー半導体デバイスの役割と要求される特性
2 MOSFETの構造とその電流・電圧特性
3 MOSFETのオン抵抗
4 シリコンMOSFETの最新技術
4.1 低耐圧MOSFET
4.2 高耐圧MOSFET
第2節 IGBTの現状と今後の展望
1 IGBTの構造とその電流・電圧特性
2 IGBTチップの進展
3 薄ウェハ化技術の限界と次世代IGBT実現に向けての技術開発
4 今後の展開
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第2章 SiC系パワーデバイスの現状・課題と最新動向
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第1節 SiCパワーデバイスの優位性と課題
1 はじめに
2 SiCパワーデバイスの優位性
2.1 パワーデバイスとしてのポテンシャル
2.2 パワーデバイスの高温動作化
2.3 パワーデバイスの低オン抵抗化
2.4 パワーデバイスの構造とスイッチング損失の低減
2.5 SiC-MOSFETの電流-電圧特性
3 SiCパワーデバイスの課題
3.1 SiC単結晶/ウェハの製造技術
3.2 SiCパワーチップ製造プロセス
3.3 SiCパワーデバイスにおけるバイポーラ劣化
3.4 SiCパワーMOSFETのチャネル移動度
3.5 パワーモジュールの高温動作化
4 パワーエレクトロニクス機器の信頼性
4.1 パワーエレクトロニクス機器の故障モード
4.2 SiCパワーMOSFETの信頼性への不安
5 SiCパワーデバイスの市場動向
6 おわりに
第2節 SiC単結晶ウェハ製造の結晶成長技術と加工技術
1 はじめに
2 昇華再結晶法によるSiC単結晶成長
3 SiC単結晶のその他の結晶成長方法
4 SiC単結晶のウェハ化加工
5 おわりに
第3節 SiCパワーデバイスの高性能化・高信頼化
1 SiCパワーデバイスの高性能化
1.1 ユニポーラSiCパワーデバイス
1.2 バイポーラSiCパワーデバイス
1.3 他のSiCパワーデバイス性能因子
2 SiCパワーデバイスの高信頼化
2.1 酸化膜信頼性
2.2 バイポーラ劣化
2.3 破壊耐量
3 まとめと今後の展望
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第3章 GaN系パワーデバイスの現状・課題と最新動向
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第1節 GaNパワーデバイス用エピタキシャルウエハの現状と課題
1 はじめに
2 GaNエピタキシャルウエハ
3 エピタキシャル成長法
4 HEMT構造エピウエハ
5 縦型パワーデバイスGaN基板と高純度厚膜成長技術
第2節 縦型GaNパワーデバイスの特徴と最新動向
1 背景
2 縦型GaNダイオードの構造と報告事例
3 縦型GaNトランジスタの構造と報告事例
4 縦型GaNパワーデバイス実用化への課題
4.1 GaNへのp型イオン注入技術の現状と課題
4.2 GaN-MOS界面制御技術の現状と課題
5 まとめ
第3節 MOS型GaNパワーデバイスの特徴と最新動向
1 MOS型GaNパワーデバイスの特徴
2 MOS型GaNデバイスにおけるチャネル移動度の向上
3 MOS型GaNデバイスにおける信頼性の向上
4 まとめ
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第4章 酸化ガリウムパワーデバイスの現状・課題と最新動向
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第1節 Ga2O3パワーデバイスの基礎とプロセス技術
1 背景
1.1 ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
2 酸化ガリウム（Ga2O3）の材料特性
2.1 結晶多形
2.2 β-Ga2O3の材料特性
2.3 不純物ドーピング
3 バルク単結晶育成技術
4 デバイスプロセス技術
4.1 ドーピング
4.2 エッチング技術
5 β-Ga2O3の材料的課題と解決指針
5.1 p型伝導を代替する取り組み
5.2 低熱伝導率材料のためのヒートシンクによる熱管理
第2節 Ga2O3パワーデバイスの開発動向
1 はじめに
2 β-Ga2O3ショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diode：SBD）
2.1 ガードリング構造β-Ga2O3 SBD
2.2 トレンチ構造β-Ga2O3 SBD
2.3 ベベル構造β-Ga2O3 SBD
2.4 pnヘテロ接合NiO/β-Ga2O3ダイオード
2.5 β-Ga2O3 SBDとSi SBDの比較
2.6 β-Ga2O3 SBD結言
3 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：MOSFET）
3.1 横型高周波（RF）β-Ga2O3 MOSFET
3.2 縦型β-Ga2O3 MOSFET
4 β-Ga2O3デバイス熱管理のための放熱技術
4.1 異種基板上貼り付け技術
4.2 デバイス表面からの放熱
5 おわりに
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第5章 パワーデバイスの高温対策に向けた実装・パッケージング
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第1節 パワーモジュールの放熱冷却構造
1 伝統的な片面間接冷却パワーモジュール構造
1.1 材料の熱性能を高めるアプローチ
1.2 放熱パスから一部の構成材料を省くアプローチ
2 高温動作に対応した片面直接冷却パワーモジュール構造
2.1 Cuワイヤボンディングと代替策
2.2 焼結Agダイアタッチ材
3 Cuクリップと絶縁セラミック基板を用いたモールドタイプ片面間接冷却モジュール構造
4 各種モールドタイプ両面液冷モジュール構造
5 片面（上面）間接冷却ディスクリートモールドパッケージなど
6 おわりに
第2節 パワーデバイス封止材の設計と耐熱性、熱伝導性の向上
1 はじめに
2 パワーデバイスとは
3 パワーデバイス用封止材
3.1 パワーデバイス用封止材の要求特性
4 パワーデバイスの技術トレンド
5 次世代パワーモジュール用封止材
5.1 次世代パワーモジュール封止材の要求特性
6 おわりに
第3節 セラミックス・有機材料を複合化した高熱伝導絶縁材料の開発動向と高放熱化
1 パワーモジュールの構造と絶縁材料
1.1 パワーモジュール向け絶縁層の現状
2 有機絶縁型パワーモジュールの深化
2.1 有機絶縁型パワーモジュールの変遷
2.2 有機絶縁層を有する新型パワーモジュール
第4節 次世代パワー半導体高温動作用接合技術
1 パワー半導体の高温動作の狙い
2 高温動作用接合技術の概要
3 熱特性
3.1 方法
3.2 結果
4 信頼性
4.1 信頼性試験の概要
4.2 パワーサイクル信頼性
4.3 冷熱サイクル信頼性
4.4 エレクトロマイグレーション信頼性
5 特性評価法
5.1 特性評価法の必要性
5.2 ヤング率の測定
5.3 熱膨張係数の測定
6 高温動作パワーモジュール
7 まとめ
第5節 パワーモジュールの高密度実装に向けた絶縁設計と評価法
1 はじめに
2 パワーモジュールの部分放電と絶縁構造
2.1 部分放電の発生メカニズムと予測
2.2 パワーモジュールの耐電圧構造
2.3 パワーモジュールの絶縁弱点部位と対策
3 パワーモジュールの絶縁信頼性評価法
3.1 パワーモジュール評価試験の規格
3.2 パワーモジュールの部分放電計測
3.3 回路基板の部分放電計測
4 まとめ
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第6章 パワーデバイスの利用に向けた低損失回路設計
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第1節 電力変換回路の変調、制御の基礎
1 はじめに
1.1 本節で扱う「制御」について
1.2 フィードバック制御と本節の内容
2 変調器（Fm）
2.1 変調方式
2.2 PWMキャリア波
3 プラント（Gdv (s)）
3.1 プラントの表現方法
3.2 PWM制御型DCDCコンバータの伝達関数
3.3 PWM制御型DCDCコンバータのプラント特性
4 センサ（Hv (s)）
4.1 制御設計におけるセンサの重要性
4.2 検出特性
4.3 ノイズフィルタ
5 位相補償器（Cv (s)）
5.1 位相補償器の役割
5.2 位相補償器の種類
6 制御設計の例
7 おわりに
第2節 パワーエレクトロニクス機器の伝導ノイズ発生要因とノイズ低減技術の基本
1 はじめに
2 パワエレ機器から生じるノイズの発生要因とその低減技術の基本
2.1 パワエレ機器のノイズの発生要因
2.2 ノイズ低減技術の基本
3 伝導ノイズの基礎実験評価結果
4 おわりに
第3節 高密度・高性能化が要求される情報システムにおけるパワーデバイス活用技術
1 情報処理システムにおける電力システムとパワーデバイス活用箇所
2 サーバの電力変換回路の高密度化とその技術
2.1 AC-DC電力変換回路の高密度化技術
2.2 メインボードの電源高密度化技術
3 パワーデバイスに必要とされる技術とGaNデバイスへの期待