コア技術的利点を

ワイド・バンドギャップ(wbg)半導体(主に窒化ガリウム(gan)および炭化ケイ素(sic))は、従来のシリコン(si)半導体よりも高出力、高温、高周波の用途で優れた性能を発揮し、パワー・エレクトロニクスにおける重大な非効率性に対処します。それらの決定的な利点は、より広いバンドギャップ・エネルギー(gan: 3.4 ev、sic: 3.26 ev vs. si: 1.12 ev)にあり、現実世界の性能向上につながる優れた材料特性を可能にします。

シリコンパワーデバイス(si mosfet、igbtなど)と比較して、sic mosfetは10倍の電界破壊(siの0.3 mv /cmに対して3 mv /cm)を提供し、同じ電圧を処理しながらデバイス構造を80%薄くすることができます。これは、on-resistance低減させる(Rₒₙ)50-70%-a 1200V SiC MOSFET WolfspeedからRₒₙ= 5 m余りΩ、対15 mΩSi損害IGBT-cutting伝導抑えられ60%に相当する。高周波アプリケーションでは、gan高電子移動度トランジスタ(hemt)は、10倍のスイッチング速度(si mosfetの100 nsに対して10 ns)と80%のスイッチング損失を実現し、5 gパワー・アンプおよび高周波コンバータに理想的です。

sicの熱伝導率(490 w /m・k)はsi (150 w /m・k)の3倍であり、sicデバイスは接合部温度200°c (siは150°c)で動作するため、大型の冷却装置の必要性が低減されます。ganは、siよりも熱伝導率が低く(130 w /m・k)、熱を効率よく伝導するヘテロ構造設計の恩恵を受け、150°cの接合部温度で安定した性能をコンパクトな形状で維持します。

鍵技術突破口

材料の成長、デバイスの設計、製造における最近の進歩は、高い欠陥密度やコストのかかる生産など、wbg半導体のこれまでの限界を克服しています。

1. ウェーハスケールと欠陥の削減

sicウェーハの6インチから8インチへのシフトは、スケーラビリティのゲームチェンジャーとなっています。Wolfspeedの8インチ,SiCウエハーの生産ラインは、2023年に90%を可能にする欠陥密度(1 cmからの縮小⁻²<蔵人0.1 cm⁻²)念持仏ウエハー対応に比べて2024によればWide-Bandgap半導体市場Yoleグループによって報告された。これにより、1200 v sic-mosfetのデバイス歩留まりが65%から85%に向上し、ユニット当りのコストが30%削減されます。ganの場合、パワー・エレクトロニクスの主要なプラットフォームである4インチのganオンsiウェハーは、2018年の±15%から、現在では±5%(厚さ変化)のエピタキシャル層均一性を有しており、大型ウェハー全体で一貫したデバイス性能を実現するために重要です。

2. 機器設計最適化

sic mosfetはゲート酸化物の信頼性向上の恩恵を受けています。インフィニオンの最新の1200 v sic mosfetは、ゲート酸化物構造を採用しており、高電圧(1200 v)および温度(200°c)での寿命を10万時間から40万時間へと4倍に向上させ、自動車aec-q101のストレステスト要件を満たしています。gan hemtでは、ノーマリー・オフ設計(電源システムの安全性にとって重要)がp型ganキャップ層を使用して改良され、複雑なケースコード構成の必要性がなくなりました。乾システム」と650V normally-offの願HEMT達成Rₒₙ= 8 mΩマッチングnormally-onの願装置の性能を保証しながら男が志開業。

3. 熱と電気の性能のためのパッケージ

高度なパッケージング技術がwbgの可能性を最大限に引き出しました。sicおよびganパワーモジュールに使用される直接接合銅(dbc)基板は、従来の窒化アルミニウム(aln)基板と比較して熱抵抗を40% (0.5 k / wから0.3 k / w)低減し、より効率的な放熱を可能にします。自動車アプリケーションについては、窒化ケイ素(Si₃N₄)セラミックするかもSiCのモジュール耐える1万熱サイクル(受けて、°C 150°C)未来にdegradation-5xサイクル小包をSi IGBTs用プラスチックよりがいります。

また、电源ユニットモジュール(IPMs)を両立できる育児休職などを有するtv] WBGゲートが部品のカウントの削減し運転手と保護回路30%-a 1200V SiC ipb電子を集中的に融汇风ローム6からもしかして、言葉MOSFETs門運転手で暖かい保护机×50 mmパッケージ40 mm、vs 6 Si IGBTsと3の運転手ICs Si-basedモジュール相当する。

破壊アプリケーション

wbg半導体は、電気自動車から再生可能エネルギー、5 gインフラまで、電力効率、小型化、高温動作が重要な産業を変革しています。

1. 電気自動車(ev)パワートレイン

sicの最大の採用者はevインバータ(dcバッテリの電力をモーター用acに変換するもの)です。teslaのmodel 3/ yは、メインのインバーターに1200 v sic mosfetを使用し、効率98.5% (si igbtベースのインバーターは97%)を達成しています。この効率向上により、ev航続距離が10%増加(75 kwhバッテリーで400 kmから440 km)、インバーター重量が30%減少(15 kgから10.5 kg)します。ハイブリッドev (hev)の場合、48 vコンバータのgan hemtは、si mosfetと比較して電力損失を50%低減し、燃料効率を3 ~ 5%改善します。

sicはev充電にも参入しています。abbの350 kw dc急速充電器は1200 vのsic mosfetを使用し、充電器のサイズを40%削減(1.5 m³から0.9 m³へ)し、待機時のエネルギー消費を70%削減(50 wから15 wへ)します。

2. 再生可能エネルギーシステム

太陽光発電用インバータと風力タービン用コンバータは、wbgの高効率と高温耐性の恩恵を受けています。sma solarの1500 v sicベースのソーラーインバータは、最大効率99.2% (si igbtモデルの98.5%)を達成し、1 mwのソーラーファームからのエネルギー収穫量を年間50 mwh増加させます(15世帯の電力に十分)。風力タービンでは、sicコンバータは180°c (siでは120°c)で確実に動作するため、タービンナセルでの能動的な冷却の必要性がなくなり、タービン1基あたりのメンテナンスコストが25%削減されます。

3. 5 g基地局とデータセンター

gan hemtは、高周波数(3-30 ghz)と効率が重要となる5 g基地局パワー・アンプ(pa)の標準です。ericssonの5 g基地局paは、gan hemtを使用して電力追加効率(pae) 65% (si ldmos paは45%)を達成し、基地局の電力消費を30%削減します(単位あたり1.2 kwから0.84 kw)。これにより、基地局あたり年間1,000ドル以上の省エネが実現されます。

データセンターでは、ganベースのサーバー電源(12 v /500 w)は、負荷50%で97%の効率(siベースの電源では94%)を実現し、サーバー1台あたりの年間エネルギー使用量を15 kwh削減します。

既存の挑戦

急速に採用されているにもかかわらず、wbg半導体はコスト重視の低消費電力アプリケーションで広く普及するための障壁に直面しています。

1. コスト料

wbgデバイスはシリコン代替品よりも大幅に高価です。1200 vのsic mosfetの価格は、同等のsi igbtで15 ~ 20 v、3 ~ 5 vです。sicウェーハはsiウェーハの8 ~ 10倍のコストがかかります(8インチsicウェーハは300、8インチsiは30)。8インチウエハーは30%のコスト削減を達成しましたが、yole groupではsicは1200 vのアプリケーションで2028年までにはsiとのコスト同等になると予測しています。ganの場合、エピタキシャル層成長(ganオンsi)はウェハコストを40%増加させ、低コストの民生用電子機器(例えば、siが依然として支配的な65 w電話充電器)でのganの使用を制限します。

2. 信頼性と長期安定性

SiCゲート酸化物劣化高電圧下若白髪に悩むMOSFETsも温度:一万時間後1200V / 200°Cで20%伸びたほか,Rを隠さない装置もいればₒₙ、テストによると国立再生可能エネルギー研究所(NREL)。これは、長寿命アプリケーション(例えば、25年間の保証付きソーラーインバータ)に対する懸念を提起します。願HEMTs、より安定した物質です困難に直面し現在の崩壊(仮Rₒₙ高圧後の消費を現在より増やすストレス)、単純な構造必要複雑な鈍化層で製造コストに10%を加えてください。

3. デザイン生態系ギャップ

成熟した設計ツールとリファレンスデザインがないため、wbgの採用が遅れています。wbgデバイス用のspiceモデルは、現実の性能と比較してスイッチング損失を20 ~ 30%過小評価していることが多く、冷却システムの過剰設計につながります。さらに、特殊な試験装置の選択肢が少なくなります。wbgデバイステスターの価格は20万~ 30万、siデバイステスターの価格は5万~ 10万です。このため、中小企業(sme)は、高価な開発やテストインフラを買う余裕がないため、wbgを導入することができません。

データ検証

材料特性と性能データ:wolfspeed 8-inch sic wafer datasheet (2024);gan systems 650 v gan hemt technical whitepaper (2023);2017年-株式会社エー・エー・エスを吸収合併。

技術的なブレイクスルーデータ:インフィニオンsic mosfetゲート酸化物信頼性レポート(2024);ロームエレクトロニクスsic ipm仕様書(2023);^ ieee transactions on power electronics (vol . 39, 2024) on dbc substrate thermal performance.(英語)

アプリケーションデータ:tesla 2023インパクトレポート;sma solar 1500 v inverter efficiency test results (2024);エリクソン5 g基地の電力消費分析(2023年)。

課題データ:nrel sic mosfetの長期信頼性試験(2024);yole group wbgコスト・パリティ予測(2024年);^「keysight technologies wbg test equipment pricing(2017)」。keysight technologies . 2017年12月23日閲覧。