パワー半導体の未来とTCAD技術ƒ‘ワヸデバイスは中小企業。ㄥサムスンは参入しがたいㄼㄦ 2.シリコンに注力すべき理由が多くある。3

パワー半導体の未来とパワー半導体の未来とTCADTCAD技術技術

中川中川明夫明夫

中川コンサルティング事務所中川コンサルティング事務所

1. パワーデバイスは中小企業。（サムスンは参入しがたい？）

2. シリコンに注力すべき理由が多くある。

3. TCAD（既存物理モデル）でまだ大きな改善、発見の余地がある。

GTOの電流集中IEGTCoolMOS電流集中

TCADの3次元の本格利用

概要

1.1.1.1. パワーデバイスはパワーデバイスはパワーデバイスはパワーデバイスは中小企業中小企業中小企業中小企業。。。。（（（（サムスンはサムスンはサムスンはサムスンは参入参入参入参入しがたいしがたいしがたいしがたい？）？）？）？）





2013年の半導体売上高

米IC Insights社

2012年の売上高は、前年比21.9％増の201兆1,036億ウォン（約16兆8,800億円）営業利益は、同85.7％増の29兆493億ウォン（約2兆4,400億円）

サムスン電子

事業分野内訳

コンシューマーエレクトロニクス（コンシューマーエレクトロニクス（コンシューマーエレクトロニクス（コンシューマーエレクトロニクス（CE）事業）事業）事業）事業TV、モニター、PC、プリンター、カメラ、エアコン、冷蔵庫等製造/販売営業利益：2.3兆ウォン（1,900億円）

IT＆モバイルコミュニケーション（＆モバイルコミュニケーション（＆モバイルコミュニケーション（＆モバイルコミュニケーション（IM）事業）事業）事業）事業携帯電話、スマートフォン、タブレットPCなど携帯端末、通信システム

製造/販売営業利益：19.44兆ウォン（1.62兆円）

半導体（半導体（半導体（半導体（Semi）事業）事業）事業）事業メモリー半導体、システムLSI半導体製造/販売営業利益：4.17兆ウォン（3,475億円）

ディスプレイパネル（ディスプレイパネル（ディスプレイパネル（ディスプレイパネル（DP）事業）事業）事業）事業LCDパネル、LEDパネル製造/販売営業利益：3.21兆ウォン（2,675億円）

パワーデバイスの市場はサムスンには魅力がない？パワーデバイスの市場はサムスンには魅力がない？パワーデバイスの市場はサムスンには魅力がない？パワーデバイスの市場はサムスンには魅力がない？

2011201120112011年年年年ののののパワーパワーパワーパワー半導体世界市場半導体世界市場半導体世界市場半導体世界市場はははは,,,, 新興国向新興国向新興国向新興国向けのけのけのけの需要需要需要需要がががが拡大拡大拡大拡大しししし,156,156,156,156億億億億7,0007,0007,0007,000万万万万ドルにドルにドルにドルに達達達達するするするする見見見見込込込込みみみみ

2011201120112011年年年年のパワーのパワーのパワーのパワー半導体市場半導体市場半導体市場半導体市場ははははIGBTIGBTIGBTIGBTがががが市場市場市場市場をををを牽引牽引牽引牽引,,,, 2009200920092009年年年年とととと比較比較比較比較してしてしてして市場全体市場全体市場全体市場全体にににに占占占占めるめるめるめるIGBTIGBTIGBTIGBTのののの割合割合割合割合はははは12.4%12.4%12.4%12.4%上昇上昇上昇上昇2011年の市場規模をデバイス別に分析すると、IGBTが市場全体の29.5%（46億2,000万ドル）を占めている。新エネルギー、白物家電

、次世代自動車（HV/EV）向けのIGBTモジュールの需要拡大が進み、2009年の市場規模と比較すると、全体に占める割合は12.4%上昇する見通しである。

パワーデバイスの市場

今後今後今後今後はパワーモジュールがはパワーモジュールがはパワーモジュールがはパワーモジュールが市場市場市場市場をををを牽引牽引牽引牽引しししし、、、、2020年年年年におけるパワーにおけるパワーにおけるパワーにおけるパワー半導体半導体半導体半導体のののの世界市場世界市場世界市場世界市場はははは290億億億億1,000 万万万万ドルドルドルドルとととと予測予測予測予測パワー半導体の世界市場は、2013年後半より回復基調に戻る可能性が高い。MOSFET、ダイオードなどのディスクリート品から、パワーモジュールに市場の牽引役が移り、2020年におけるパワー半導体の世界市場規模は290億1,000万ドル（メーカー出荷金額ベース）へ成長と予測する。

SiC、、、、GaNなどをなどをなどをなどを使使使使ったったったった次世代次世代次世代次世代パワーパワーパワーパワー半導体世界市場半導体世界市場半導体世界市場半導体世界市場はははは、、、、2015年以降年以降年以降年以降からからからから本格的本格的本格的本格的にににに採用採用採用採用拡大拡大拡大拡大がががが進進進進みみみみ、、、、2020年年年年のののの市場規模市場規模市場規模市場規模はははは29億億億億8,000万万万万ドルドルドルドルにににに達達達達するとするとするとすると予測予測予測予測次世代パワー半導体は、これまで一部用途に搭載機器は限定されていたが、コストダウンの進む2015年以降から各需要分野での採用が拡大、本格的に市場が立ち上がる。2020年におけるSiC、GaNパワー半導体の世界市場規模は29億8,000万ドル（メーカー出荷金額ベース）と予測する。

10%

２０１３年矢野経済研究所

電源半導体の世界市場

１兆円＠１兆円＠１兆円＠１兆円＠2010年年年年

出典：出典：出典：出典：Gartner

WW voltage regulator revenue forecastWW voltage regulator revenue forecastWW voltage regulator revenue forecastWW voltage regulator revenue forecast（＄（＄（＄（＄M)M)M)M)

$1,589$1,589$1,589$1,589 $1,669$1,669$1,669$1,669 $1,715$1,715$1,715$1,715 $1,649$1,649$1,649$1,649 $1,653$1,653$1,653$1,653 $1,744$1,744$1,744$1,744

$793$793$793$793$877$877$877$877 $962$962$962$962 $1,042$1,042$1,042$1,042 $1,057$1,057$1,057$1,057 $1,098$1,098$1,098$1,098

$2,594$2,594$2,594$2,594

$2,872$2,872$2,872$2,872$3,192$3,192$3,192$3,192

$3,826$3,826$3,826$3,826 $3,949$3,949$3,949$3,949

$4,311$4,311$4,311$4,311

$670$670$670$670

$736$736$736$736

$812$812$812$812

$880$880$880$880$936$936$936$936

$1,011$1,011$1,011$1,011

$208$208$208$208

$208$208$208$208

$215$215$215$215

$229$229$229$229$232$232$232$232

$245$245$245$245

$61$61$61$61

$61$61$61$61

$78$78$78$78

$86$86$86$86

$88$88$88$88

$98$98$98$98

$1,237$1,237$1,237$1,237

$1,256$1,256$1,256$1,256

$1,402$1,402$1,402$1,402

$1,479$1,479$1,479$1,479$1,586$1,586$1,586$1,586

$1,702$1,702$1,702$1,702

$497$497$497$497

$510$510$510$510

$530$530$530$530

$570$570$570$570

$603$603$603$603

$620$620$620$620

$0$0$0$0

$2,000$2,000$2,000$2,000

$4,000$4,000$4,000$4,000

$6,000$6,000$6,000$6,000

$8,000$8,000$8,000$8,000

$10,000$10,000$10,000$10,000

$12,000$12,000$12,000$12,000

2006200620062006 2007200720072007 2008200820082008 2009200920092009 2010201020102010 2011201120112011

Mill

ions

of

Dolla

rsM

illio

ns

of

Dolla

rsM

illio

ns

of

Dolla

rsM

illio

ns

of

Dolla

rs

ReferenceReferenceReferenceReference

Controller/SupervisorController/SupervisorController/SupervisorController/Supervisor

Battery Battery Battery Battery ChragerChragerChragerChrager

Battery MonitorBattery MonitorBattery MonitorBattery Monitor

ACACACAC----DCDCDCDC

DCDCDCDC----DCDCDCDC

LowLowLowLow----voltage voltage voltage voltage LDOsLDOsLDOsLDOs

HighHighHighHigh----current Linearcurrent Linearcurrent Linearcurrent Linearコントローラコントローラコントローラコントローラ（（（（CPUCPUCPUCPU電源電源電源電源））））

高精度電圧源高精度電圧源高精度電圧源高精度電圧源

バッテリーチャージャバッテリーチャージャバッテリーチャージャバッテリーチャージャ

バッテリーバッテリーバッテリーバッテリー保護保護保護保護

ACACACAC----DCDCDCDC全般全般全般全般

DCDCDCDC----DCDCDCDC全般全般全般全般

低電圧低電圧低電圧低電圧LDOLDOLDOLDO

大電流大電流大電流大電流リニアリニアリニアリニアReg.Reg.Reg.Reg.

CAGR=6.7%CAGR=6.7%CAGR=6.7%CAGR=6.7% （（（（'08'08'08'08⇒⇒⇒⇒'11'11'11'11））））

パワー・マネージメント半導体の2008年市場規模出所：南川明＝アイサプライ・ジャパン

広義のパワーデバイス市場は２兆円超え


2.2.2.2. シリコンにシリコンにシリコンにシリコンに注力注力注力注力すべきすべきすべきすべき理由理由理由理由がががが多多多多くあるくあるくあるくある。。。。




2012年予測(IMSresearch)

2012年予測(IMSresearch)

2010年時点での予測(Yole Development)

SiC ： 930M$GaN：1,900M$Total：2,830M$

(8%)

2012年時点での予測(Yole Development)

SiC素子のコストは2020年でも現在の1/2High ENDにしか使えない？

出所出所出所出所: APEC 2013 Industry Session 1.4.2 IMSresearch

SiCとの競合技術

MOSFET NEXFET 30VCoolMOS 600V

Diode QSPEED 600V

回路技術で対応する！

エアコン CoolMOS リカバリーアシスト

シリコンはまだ進化している!!

)(I

)(Qt

D

strf

Current Drain

Charge Stored=

Theoretical Silicon limit of Switching Speed :

シリコン限界への挑戦

fVIfVQIR

fVQfI

QIVIRP

I

Qt

ADAstrDon

Astr

G

gd

DADonloss

D

strf

22

2

3

12

3

1

3

1

stronQR≥+

++=

= VG

VD

ID

MOSFETのターンオフ

New FOM

G

gd

I

Q=periodMirror

plateau

Major loss

fVIfVQIR

fVQfI

QIVIRP

I

Qt

ADAstrDon

Astr

G

gd

DADonloss

D

strf

22

2

3

12

3

1

3

1

stronQR≥+

++=

=G

gd

I

Q=periodMirror

理想限界:

New FOM

=0

tf

VG

VD

ID

Low Impedance gate drive is a key technologyto supply a large gate currentto eliminate mirror period.


fVIfVQIR

fVQfI

QIVIRP

I

Qt

ADAstrDon

Astr

G

gd

DADonloss

D

strf

22

2

3

12

3

1

3

1

stronQR≥+=

++=

=

VG

VDIDG

gd

I

Q=periodMirror

New FOM

=0

New FOM = RonQstr

tf

VG

VD

ID

理想限界:


Effect of low impedance gate drive

75

80

85

90

95

0 5 10 15 20 25 30 35

Iout(A)

Eff

icie

ncy (

%)

Vin:12V, Vg:5V,Vout:1.3V,fsw:1MHz

Rg+Rdriver=3.66 Ω

Rg+Rdriver=0.4 Ω

Conventional

Rdriver=3.7ΩΩΩΩ

Low impedance gate drive

Rdriver=0.4Ω

Predicted Silicon Limit Efficiency

75

80

85

90

95

0 5 10 15 20 25 30 35

Iout(A)

Eff

icie

nc

y (

%)


Rg+Rdriver=3.66 Ω

Rg+Rdriver=0.4 Ω

Conventional

Rdriver=3.7ΩΩΩΩ


Rdriver=0.4ΩSi Limit (Ron=5mΩmm2))

MOSFET Ron

Improvement

GaN1.1

@2008

Predicted Silicon Limit Efficiency

75

80

85

90

95

0 5 10 15 20 25 30 35

Iout(A)

Eff

icie

nc

y (

%)


Rg+Rdriver=3.66 Ω

Rg+Rdriver=0.4 Ω

Conventional

Rdriver=3.7ΩΩΩΩ


Rdriver=0.4ΩSi Limit (Ron=5mΩmm2))

MOSFET Ron

Improvement

GaN 1.1

Competitor B

New FOM: RonQstr for high speed switching

Breakdown Voltage [V]

110 1e2

1e3 1e4 1e5 1e6

RonQstr[m

ΩnC]

GaN Limit

SiCLimit

Si Limit

10 100 1ｋV 10ｋV

IGBT

IGBT

SJMOS

SiCMOS

GaN

GaN

FETFET

Breakdown Voltage [V]

110 1e2

1e3 1e4 1e5 1e6

RonQstr[m

ΩnC]

GaN Limit

SiCLimit

Si Limit

10 100 1ｋV 10ｋV

IGBT

IGBT

SJMOS

SiCMOS

GaN

GaN

FETFET30V MOSFET

EPC EPC EPC EPC GaNGaNGaNGaN

EPC: Efficient Power Conversion

Trend of High Speed MOSFET

Figure of Merit: RonQgd

1999 2001 2003 2005

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1999 20011999 2001

QQ QQgdgd gdgd(( (( mm mmΩΩ ΩΩ・・・・nCnCnCnC)) ))

RR RRDS(ON)

DS(ON)

DS(ON)

DS(ON)

RR RRDS(ON)

DS(ON)

DS(ON)

DS(ON)QQ QQ

(( (( mm mmΩΩ ΩΩ・・・・nCnCnCnC)) ))

UMOS II

High Speed

UMOS III

Ultra-High Speed

UMOS IV

VG=4.5V, VDD=24V

2007

Ultra-High Speed

UMOS V UMOS VIUMOS VII UMOS VIII

2009 2013

Super Junction Field Plate (Split Gate)

横型MOSFET

Loechelt, etc. On Semiconductor ISPSD’12

NEXFET（25V）RonQgd=5.25mΩnCRonQg =29.4mΩnC

Trench（30V）RonQgd=7.31mΩnCRonQg =34 mΩnC

eGaN（40V）RonQgd=7 mΩnCRonQg=33.6mΩnC

5mm××××6mm SON

横型MOSFET＆積層パッケージで特性改善

出所出所出所出所 TI Web

IEDM’09 p.145

http://ednjapan.com/edn/articles/1204/18/news015.html

APEC2014 Industry Session IS2-4-3

APEC2014 Industry Session IS2-4-3

600V CoolMOS改善の動向

東芝Web

出所出所出所出所: http://www.powerint.com/qspeed

SiC並のシリコン高速ダイオード QSPEEDQSPEEDQSPEEDQSPEED

世界にインバータ搭載エアコンを広めることで、世界中の省エネに貢献しています。

CoolMOSをエアコンに用いる!!

回路技術でSi素子特性を改善

排ガス規制がHEV化を進める！

欧州2015年 120g/km以下2021年 95g/km以下

米国2025年 54.5マイル/ガロン（23km/L）

周辺Si製ICの冷却は？SiO2ゲート信頼性

燃費向上10% PCU 1/5に縮小高温動作（冷却系改良）

SiCのHEV適用効果

（デンソー論文より引用）（デンソー論文より引用）（デンソー論文より引用）（デンソー論文より引用）

（デンソー論文より引用）（デンソー論文より引用）（デンソー論文より引用）（デンソー論文より引用）

シリコンでも高速動作＆高温動作は可能シリコンでも高速動作＆高温動作は可能シリコンでも高速動作＆高温動作は可能シリコンでも高速動作＆高温動作は可能

SOI CMOSは400で動作可能SOI パワーICは200で動作可能1200V IGBTは200動作可能

しかし、誰も追求していない！しかし、誰も追求していない！しかし、誰も追求していない！しかし、誰も追求していない！

最大の問題点は：・周辺技術がついて来ない・市場が小さい・素子の値段が高くできない

APEC 2014 Industry Session

http://www.apec-conf.org/about/previous-years/apec-2014/industry-session-presentations/

K.Shenai APEC2014 Industry Session



ROHM APEC2014 Industry Session IS2-4-6

ROHM APEC2014 Industry Session IS2-4-6

野村総研2013年

Si-IGBT

営業運転で省エネ効果を確認してまいります。

小田急電鉄株式会社1000形車両

フルSiC適用インバーター装置（参考品）

採用により期待される効果採用により期待される効果採用により期待される効果採用により期待される効果1.主回路システム全体での最適化により最大約主回路システム全体での最適化により最大約主回路システム全体での最適化により最大約主回路システム全体での最適化により最大約36％の省エネ％の省エネ％の省エネ％の省エネ

o・高効率全閉方式の主電動機と本装置を組み合わせた主回路システム全体で省エネ最適化o・従来車両と比べ、定員乗車時で約20％、満員乗車時には最大約36％の消費電力改善

2.小型・軽量化による車体改造費の大幅削減小型・軽量化による車体改造費の大幅削減小型・軽量化による車体改造費の大幅削減小型・軽量化による車体改造費の大幅削減o・既存主回路システム比で外形寸法・質量ともに80％以上削減o・車両への取り付けの自由度が向上した結果、車体改造工事費用が削減

2014年4月30日三菱電機三菱電機三菱電機三菱電機世界で初めて、小田急電鉄株式会社1000形車両に搭載直流1500V架線対応「フルSiC適用VVVFインバーター装置」採用のお知らせ

Si-IGBTの可能性Forward voltage can be greatly improved by reducing mesa width.

Mesa width

Forward Voltage (V)

Cu

rre

nt D

en

sity

(A/c

m2)

0

2000

1 2 3

2000

0

40nm

0.5

µµµµm

Conv.

1000

600V IGBT

500

100nm

200nm

2.2

µµµµm

Theoretical limit of IGBT

IGBTsIGBTs can still be greatly improved in futurecan still be greatly improved in future

Breakdown Voltage Breakdown Voltage (V)

SJMOS

limit

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10 100 1000 10000

Si Limit

SiCLimit

GaNLimit

Si IGBT

Si SJ -MOS

SiC MOS

GaN HEMT

Si IG

BT

SJ -

Ideal IGBT Limit

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10 100 1000 10000

Si Limit

SiCLimit

GaNLimit

Si IGBT

Si SJ -MOS

SiC MOS

GaN HEMT

Si IG

BT

SJMOS

RonA(m

ΩΩ ΩΩcm

2)

Conditions:

Si thickness=100µmCurrent density= 150A/cm2Temp.=150CTurn-off loss is fixed at 120µJ/A

Mesa width

1200V IGBT

Silicon Limit Analysis based on TCAD for 1200V IGBT

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Mesa width (µm)

On

-sta

te V

olta

ge

(V

)

ISaturation= 800A/cm2

Large ISat case

600VVoltage

Current

800A/cm2

汎用汎用汎用汎用モジュールではモジュールではモジュールではモジュールでは負荷短絡保護回路負荷短絡保護回路負荷短絡保護回路負荷短絡保護回路がキーがキーがキーがキー技術技術技術技術！！！！

定電圧定電圧定電圧定電圧ののののIGBTのののの実用化実用化実用化実用化がががが可能可能可能可能

1200V IGBT operating current density

Operating cu

rrent de

nsity

100100100100

1980198019801980 1985198519851985 1990199019901990 1995199519951995 2000200020002000 2005200520052005 2010201020102010 2015201520152015

Dynamic Avalanche

50505050

500500500500

Opera

ting c

urr

ent density

Year

HEV both side cooling

6th generation

1200V applied

600V applied

30cm CMOS Fab for Power Devices低コスト化が狙える！

石油製品の用途別需要量（エネルギー白書2004）日経日経日経日経エレクトロニクスエレクトロニクスエレクトロニクスエレクトロニクス2011年年年年5月月月月2日号日号日号日号））））

2020年でも90％は依然シリコン!!

電力の需給バランスは逼迫し、地球温暖化

からエネルギー消費抑制

省エネ、再生可能エネルギーがキー技術

低コスト省エネ（インバータ）家電、EV/HEVが重要

IGBTは２極化（SiCと低コストSi）、 Si-IGBT需要が増大



3. TCAD3. TCAD3. TCAD3. TCAD（（（（既存物理既存物理既存物理既存物理モデルモデルモデルモデル））））でまだでまだでまだでまだ大大大大きなきなきなきな改善改善改善改善、、、、発見発見発見発見のののの余地余地余地余地があるがあるがあるがある。。。。



3.ＴＣＡＤ活用（既存物理モデル）で大きな改善、発見の余地がある。宝は既にあるのにまだ見つけていないだけ!!!

過去の大きな発見も既存物理モデルの世界IEGTCoolMOS

パワーデバイスは既存モデルでほとんど説明可能電流集中GTO破壊IGBT破壊

TCADの3次元の本格利用が可能になり活用範囲が拡大

シミュレータは本当に役に立つのか？シミュレータで設計したとあるが実際は真実でない

二次元デバイスシミュレータ開発へ

1970年代

Device Simulator TONADDE II

1. 11. 1--dim. version of TONADDE developed dim. version of TONADDE developed

in 1980.in 1980.

2. First version of 22. First version of 2--dim. TONADDE developed dim. TONADDE developed

in 1982.in 1982.

3. 2nd version with external circuit option developed 3. 2nd version with external circuit option developed

in 1991.in 1991.

4. Graphic user interface: input data generator, 4. Graphic user interface: input data generator,

33--D graphic post processor, developed D graphic post processor, developed

in 1993.in 1993.

’70年代の最先端デバイスGTO

電流集中!!

IATO = Gmax・Ig

Rb

最大遮断電流をあげるにはゲインを上げるべきという固定観念

SPBSPBSPBSPB

J1J1J1J1

ρρρρ

VVVV∝

IATO = Gmax・Ig

Rb

SPBSPBSPBSPB

J1J1J1J1

ρρρρ

VVVV∝

最大遮断電流をあげるにはゲインを上げるべきという固定観念

I AT

O

200A

ゲートカソード耐圧/Pベースシート抵抗

ばらつきをプロット

100A

SPB

JV

ρ1

600V

GTO

1200

V G

TO

GTOの破壊現象

V1

ISPSD 1992シミュレーションによる再現

ＧＴＯの電流集中 in 1984

1982 IEDM

新規性はあるが、新規性はあるが、新規性はあるが、新規性はあるが、「何故このような遅い素子を発表するのか」「何故このような遅い素子を発表するのか」「何故このような遅い素子を発表するのか」「何故このような遅い素子を発表するのか」「良くこのような素子を実証して見せたものだ」という驚き「良くこのような素子を実証して見せたものだ」という驚き「良くこのような素子を実証して見せたものだ」という驚き「良くこのような素子を実証して見せたものだ」という驚き

偶然出会った偶然出会った偶然出会った偶然出会ったBaligaの論文の論文の論文の論文!!!

スイッチング時間：スイッチング時間：スイッチング時間：スイッチング時間：10µµµµsec

ラッチアップを防ぐことは不可能に近いと考えられていたラッチアップを防ぐことは不可能に近いと考えられていたラッチアップを防ぐことは不可能に近いと考えられていたラッチアップを防ぐことは不可能に近いと考えられていた!!!

ところが Non-Latch-Up IGBTができてしまう。

実現したNon-Latch-up IGBTは思った以上に良い素性を持っていた!!!

ノンラッチアップＩＧＢＴ最初の論文IEDM Late News 1984年12月

KitagawaKitagawaKitagawaKitagawa, 1993 IEEE IEDM Tech. Digest, pp.679, 1993 IEEE IEDM Tech. Digest, pp.679, 1993 IEEE IEDM Tech. Digest, pp.679, 1993 IEEE IEDM Tech. Digest, pp.679

1990年 Injection Enhanced IGBT（IE効果）の発見デバイスシミュレータでの予測 (特許出願1991、発表1993)

x

pqDJ pp

∂

∂= 正孔電流

キャリアの勾配で正孔を蓄積

サイリスタのキャリア分布を実現

4.5kV IEGTdeveloped in 2000

IEGT realizes thyristor-like I-V characteristics!

1. How to realize a high voltage by applying

a large share of the voltage across the buried oxide

2. How to realize a large current device on a thin SOI

High Voltage ICs in SOI

Combination of SOI and trenches

20µmのシリコン層で500V → トレンチ分離可能

SOI device breakdown voltage vs. SOI thicknessSOI device breakdown voltage vs. SOI thicknessSOI device breakdown voltage vs. SOI thicknessSOI device breakdown voltage vs. SOI thickness

Substrate

1D MOS diode1D MOS diode1D MOS diode1D MOS diode

anodeanodeanodeanode cathodecathodecathodecathode

n+p+

Breakdown voltage is limited by MOS Diode

1 Chip Inverter IC Evolution

8.4 x 7

V groove,

6µµµµm 12V BiCMOS

LIGBT 1A @3V

7 x 4.2

Trench Isolation,

1.5µµµµm 5V BiCMOS

Multi-ch LIGBT

1.2A @3V

6.6 x 4.1

Trench Isolation,

2µµµµm 30V CMOS Analog

PWM, Multi-ch LIGBT

1.0A @3V

500V,1A(1991) 500V,1A(1994) 500V, 1A(2001)

ＢiＣＤパワーICの歴史

•DMOS Ron Improvement

•’’’’80年代年代年代年代 Smart Power

Vertical DMOS CMOS Bip

Drain

•Smart Power Concept

•BCD Technology

0.6µµµµm design rule

ＢiＣＤ技術横型ＤＭＯＳ + 制御回路

p+n+

p

n+

n- n+

p

n+n-epi

pn

n-epi

n

n+p-well n-well

n

n+p-wellp-well

n+ n+p+ p+ p+

S GDG S D GS DC EB Cp-MOSn-MOSLateral DMOS npn

ppn n

Up Drain vertical DMOS LDMOS

Lateral DMOS vs. Vertical DMOS

LDMOS: Rds（（（（on）））） is simply reduced depending on design rule

従来の従来の従来の従来のLDMOS 問題点問題点問題点問題点----Low on-state breakdown voltage

Source

Gate

Drain

n+

p+ n+ p n+

p-epitaxial

p-well n-Resurf

15nm

electrically

connected

Drain Voltage [V]

Drain Current Density

[ ×× ××104A/cm

2]

VG = 0 V

VBV = 30.2 V

0 10 20 300.0

2.0

1.0

VG = 5 V

VBV = 13.9 V

RON =

15.7mΩmm2

VG=1 V

VG = 3

V

Adaptive Adaptive ResurfResurf 1998 ISPSD1998 ISPSD----- Improvement of on-state breakdown voltage

SourceGate

Drain

n+

p+ n+ p n+

p-well Resurf

LOCOS

p-epi

Conventional

Improved LDMOS with Adaptive Resurf

Adaptive Adaptive ResurfResurf----- Improvement of on-state breakdown voltage

SourceGate

Drain

n+

p+ n+ p n+

p-well Resurf

LOCOS

p-epi

Conventional

Improved LDMOS with Adaptive Resurf

he

h

pn

p

pn

p

vv

v

JJ

J

+<

+<

+=

γ

µµ

µγ

高電界 n-buffer

p-base

アノード効率γ

MOSFET-mode IGBTアノードの注入効率を極限まで下げたら!!!

電子電流が主体で流れるIGBT：高速動作

電子電流Jn／正孔電流Jp ＞移動度の比

負荷短絡時Ｎベースの空間電荷Ｑ

Q =qND+ q(p – n) = qND + Jγ/vh - (1- γ )/ve

Define JC=qND/(1- γ)/ve - γ/vh

J < JC: Q＞0 正電荷

J = JC : Q＝0 ゼロ!

J＞ JC : Q＜0 負電荷!

Electric

field

Carrier density

Effective junction

　he

h

vv

v 　　γwhen

+<

n-buffer

Electric

fieldp-base

J=Jc J >Jc

　J

J 　　γ　

qv

Jn 　

qv

Jp

p

e

n

h

p===

p-base

n-buff

NNNN----base net charge density becomes negativebase net charge density becomes negativebase net charge density becomes negativebase net charge density becomes negative

Q = qND + J*(γγγγ/vh + (γγγγ -1)/ve)

JJCC

Char

ge den

sity @n-

base

Current density →

qND

0

Posi

tive

Posi

tive

Neg

ative

Neg

ative

JJCC

VBD

0.0E+00

5.0E+04

1.0E+05

1.5E+05

2.0E+05

0 20 40 60 80 100 120

Distance (µm)

Electric Field (V/cm)

1E+13

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

Carrier Concentration (cm

-3)

Electric Field

Electron

Hole

360

720

1200

1800A/cm2

VCC=600V

1200

720

360

0.0 e0

0.5 e5

1.0 e5

1.5 e5

0 100Distance (µµµµm)

1800A/cm2

Simulated Analytical

SOA can be calculated by analytical model

Calculated SOACalculated SOA with parameterwith parameter γγ

p-base

n-buff

10

100

1000

10000

0 500 1000 1500 2000

0 .40 .40 .40 .4

0 .30 .30 .30 .3

0 .20 .20 .20 .2γγγγ=0.47γ

Voltage [V]

Max

imum

Curre

nt de

nsity

J=Jc

JJCC=qN=qNDD/((1/((1-- γγγγγγγγ)/v)/vee -- γγγγγγγγ/v/vhh) ; ) ; 0.450.450.450.45=+

= 　vv

v γ

he

h

0

1000

2000

3000

4000

5000

0.25 0.3 0.35 0.4

γ

Theory

ExperimentExperiment

Cur

rent

densi

ty (A

/cm2 )

600V

負荷短絡耐量とアノード側の注入効率

定常状態の計算では壊れない!!!

何故、MOSFET-mode IGBTは負荷短絡耐量が低いか？

仮説：アノード側高電解で電流集中が起きる？

８セルと1/2Cellでの比較１．最大温度の増大２．ピーク電流の増大３．ラッチアップ

拡大

多Cell

1360K

½ Cell

½ Cell

0us

0.1us

0.2us

0.3us

0.4us

0.5u

s0.6

us

0.7u

s

電界

(V/c

m)

X=0.6um

電流が流れJCを超えると高電界が裏面に移動!!

1e-7 step

3us

4us

5us

6us

7us

8us

温度

(K)

アノード側の高電界でアノード側が高温になる!!

3us

4us 5us

6us

7us

8us

電界

(V/c

m)

新しい現象 7us以降でアノード側の高電界が解消!!

VG=15V

アノード側の温度上昇でPエミッタのγが上昇？

X=80um

多セル（8Cell）での計算

t=0.5us t=0.6us

t=0.7us

チャネル電子電流は均一に流れるがチャネル電子電流は均一に流れるが電流のフィラメントが発生電流のフィラメントが発生

電子

電流

密度

(A/c

m2)

1us 2us

3

4

5

6

78

9

10

Y=110umでの電子電流密度

Y=110umでの電子電流

電界1usごと

電界

(V/c

m)

1us

2

3

45

678910

３usで高温になり、アノード側の高電界が解消

Temp 1usごと

温度

(K)

1us

2

34

56

789

10

３usまでは裏面温度が上昇、その後、

高温領域はNベース内部に移動

温度上昇の推移

t=1us 2us 3us 4us

t=5us 6us 7us 8us

拡大

多Cell

P-baseがががが高温高温高温高温ででででIntrinsicになりになりになりになりLatch-up

t=9us 10us

γ と γMOS の関係が電荷の正負を決める!!

eh

h

np

p

MOS

MOS

eh

ehD

eh

DD

vv

v

Jvv

vvqN

Jvv

qNnpqNQ

+=

+=

−+

+=

−++=−+=

µµ

µγ

γγ

γγ

　　

　　 )(

)1

(

高電界解消は γMOSの低下で引き起こされる!!

アノード側高電界解消

2次元では160umピッチで集中が起きる！

3次元では更に大きな温度上昇！

電流集中が点で起きれば大きな温度上昇！電流集中が点で起きれば大きな温度上昇！電流集中が点で起きれば大きな温度上昇！電流集中が点で起きれば大きな温度上昇！

TCAD活用での問題点とポイント

現状のTCAD Toolでの解析は困難

仮説を立てる！↓↓↓↓

検証・解析Clue

END

Documents

パワー半導体の未来とTCAD技術ƒ‘ワヸデバイスは中小企業。ㄥサムスンは参入しがたいㄼㄦ 2.シリコンに注力すべき理由が多くある。3