適切なSiCショットキーダイオードを選択する

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適切なSiCショットキーダイオードを選択する

SBD、JBS、およびMPSについて解説

電源設計において適切なSiCショットキー構造がなぜ重要なのでしょうか？

電力変換器、充電器、または車載電源システムを設計する場合、適切なSiCダイオードを選択することは、小さな決断でありながら大きな影響を及ぼします。このガイドでは、3つの一般的なSiCショットキー構造（SBD、JBS、およびMPS）について解説し、それぞれの電気的トレードオフおよび実際の動作特性を整理するとともに、MCCの現行製品の世代を実際の用途に対応付けて紹介します。この目的は、用途に応じて効率、サージ耐性、およびコストのバランスが最も優れたダイオードを迅速に選択できるよう支援することです。

実際の設計におけるSBD、JBS、およびMPS SiCダイオードの違い

SBD（ショットキーバリアダイオード）

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構造： N型SiCウェハ上の単一の金属接合構造です。

主要な物理的動作： 金属－半導体バリアを介した多数キャリア伝導により、極めて高速なスイッチングと無視できる電荷蓄積を実現します。

長所

  • 逆回復時間を最小限に抑えた超高速スイッチング
  • 同一耐圧クラスにおける最小の固有スイッチング損失
  • マスクおよびイオン注入が少なく、シンプルな製造プロセス

短所

  • 逆方向リーク電流（IR）が大きく、特に高温時に顕著
  • 高電界ストレスおよび過渡的な過負荷に対する耐量の低下

代表的な指標

  • 順方向電流および温度に対する順方向電圧（Vf）
  • 逆方向電圧および温度に対する逆方向リーク電流（IR）
  • サージ電流耐量（IFSM）

最適な用途： 高周波コンバータ、PFC段、およびサージの影響が限定的なDC/DCコンバータ

JBS（ジャンクションバリアショットキー）

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構造： ショットキー金属接合の下に、小さなP型（多くの場合P+型）アイランドををイオン注入で形成し、PN領域とショットキー領域が交互に配置されています。

主要な物理的動作： 逆バイアス時にはPアイランドがPN接合を形成し、電界のピークを金属界面から遠ざけることにより、逆方向リーク電流を低減し、耐圧安定性を向上させます。順方向バイアス時には、電流は主にショットキー領域を流れます。

長所

  • SBDよりも大幅に低い逆方向リーク電流
  • 耐圧安定性および過渡耐量の向上
  • ショットキーに近いスイッチング速度を維持

短所

  • サージ電流耐量は中程度（SBDより優れているが、伝導度変調はなし）
  • イオン注入および追加マスクによりプロセスが複雑

代表的な指標

  • 定格電圧における逆方向リーク電流（IR）の温度依存性
  • 動作電流および温度に対する順方向電圧（Vf）
  • サージ電流耐量（IFSM）およびUIS耐量

最適な用途： 逆方向リーク電流抑制および安定したブロッキング特性が重要な高電圧用途（サーバおよび通信電源、オンボードチャージャ、系統連系PV（太陽光発電）インバータなど）。

MPS（マージドPINショットキー）

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構造： ショットキーフィンガーと、より大きく高濃度にドープされたP+領域が交互に配置され、ショットキー領域と統合された局所的なPIN構造を形成します。PINの伝導は高電流時にのみ有効になります。

主要な物理的動作

  • 通常動作時： ショットキー経路は多数キャリアにより伝導し、低い順方向電圧（Vf）と高速スイッチングを実現します。
  • サージまたは過負荷時： PIN領域が伝導し、少数キャリアをドリフト層に注入することで、伝導度変調が可能となり、高い「サージ電流耐量（IFSM）」を実現します。

長所

  • 優れたサージ電流耐量および耐熱性
  • 強力な電界シールドによる非常に小さい逆方向リーク電流
  • 通常動作時の損失が小さく、高い過渡耐量を両立

短所

  • サージ時にPIN領域が動作すると逆回復時間がわずかに増加（ただしシリコンPINダイオードよりはるか小）
  • 精密なイオン注入制御と薄型ウェハ処理が必要

代表的な指標

  • 順方向電流および温度に対する順方向電圧（Vf）
  • 逆方向電圧および温度に対する逆方向リーク電流（IR）
  • サージ電流耐量（IFSM）、UIS耐量、および過渡ストレス試験
  • スイッチング時にPIN伝導が発生する場合の逆回復電荷（Qrr）

最適な用途： EV充電設備、系統連系PV（太陽光発電）インバータ、蓄電システム、および車載電源機器

JBSとMPS：技術的なクイック比較

以下の表は、電力システムで最も一般的に使用されている2種類のSiCショットキーダイオード、JBS（ジャンクションバリアショットキー）およびMPS（マージドPINショットキー）を比較したものです。構造上の違い、定常時およびサージ時の導通特性、そしてエンジニアが考慮すべき実用的なトレードオフ（順方向電圧Vf、逆方向リーク電流、サージ電流耐量（IFSM）、耐熱性および代表的な用途）を重点的に示します。ダイオード選択の迅速な判断指針が必要な場合は、この比較をご利用ください。

設計上の注意：サージ電流や熱ストレスが大きい用途では、 サージ電流耐量（IFSM）と耐熱性を優先して考慮する必要があります 。

図1：JBS（ジャンクションバリアショットキー）の内部構造

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図2：MPS（マージドPINショットキー）の内部構造

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表1：JBSとMPSのSiCショットキーバリアダイオードの比較

カテゴリ JBS（ジャンクションバリアショットキー） MPS（マージドPINショットキー）
構造 ショットキー金属接合と、その下に埋め込まれたP+ガード領域を組み合わせた構造 JBSと類似するが、周期的に配置されたP+のPIN領域がハイブリッド伝導経路を形成
電流の流れ 順方向バイアスでの主な経路はショットキー領域 低電流ではショットキー伝導、大電流ではPIN伝導が追加
順方向電圧（Vf） より低い（電流は主にショットキー接合を通るため） やや高い（大電流ではPIN領域の影響による）
逆方向リーク電流 低い 非常に小さい（P+領域による電界シールド効果の向上）
サージ電流耐量 中程度 優れている：サージや高温ストレスにおいてもPIN領域が伝導
熱耐久性 中程度 高い：高温特性およびアバランシェ耐量が向上
逆回復 非常に高速（純粋なショットキー動作） 高速だが、PIN領域への少数キャリアの注入により、純粋なショットキー動作よりわずかに遅い
信頼性 良好：安定したリーク特性 より良好：信頼性マージンが高く、ストレス下での堅牢性が高い
用途の焦点 効率重視の用途 耐久性および信頼性重視の用途
代表的な用途 サーバ/通信用PSU、DC/DCコンバータ（軽負荷）、OBC EV充電設備、PVインバータ、産業用電源
まとめ 低Vfと高効率に最適化 高サージ、高耐熱性、および高信頼性に最適化

SiCショットキーダイオードの世代比較：G4、G5およびG6

以下の表は、代表的なMCCのSiCショットキーダイオードの世代である第4世代（G4 JBS）、第5世代（G5 MPS）、および第6世代（G6 低耐圧MPS）を比較したものです。順方向電圧、逆方向リーク電流、サージ電流耐量（IFSM）、接合容量、およびチップサイズに着目し、世代ごとに電気的性能とコスト構造がどのように進化しているのかを示します。


表2：世代比較（G4、G5、G6-低耐圧）

世代 試験条件 G4 JBS G5 MPS G6 低耐圧MPS
品番 SICWT20120G4J SICWT20120G5M SICWT20120G6M
VF（V） @IF=20A 25°C 1.36 1.48 1.38
VF（V） @IF=20A 175°C 1.85 2.2 1.93
IR（uA） @VR=1200V 25°C 0.5 0.5 3
IR（uA） @IF=20A 175°C 10 30 60
IFSM（A） 160 180 200
CJ（pF） f=1MHz; VR=0V 1626 1265 1388
チップサイズ 3.669mm × 2.669mm 2.86mm × 2.82mm 3.4mm x 2.45mm
特長 強力なIFSM、低いVf、低損失、優れた高温特性 G4と同等のサージ電流耐量を維持し、チップサイズを小型化した先進技術 G4と同等のVFを維持し、サージ耐量を強化した先進プロセス
用途 蓄電システム用インバータ（住宅用および商用）、OBC、マイクロインバータ EV充電設備、系統連系PVインバータ EV充電設備、マイクロインバータ

適切なMCCのSiCショットキー世代の選定方法

上記の表は、MCCのSiCショットキー技術が世代ごとにどのように進化してきたかを示しています。以下のステップは、これらの違いを実際の動作条件に基づいた実用的な選択の判断に落とし込むことです。

単一のパラメータを最適化することではなく、各MCC世代は、さまざまな用途の優先順位に応じて、効率性、堅牢性、およびコストのバランスを取るように意図的に設計されています。最適な選択は、温度、スイッチング動作、サージ耐性、システムコスト目標といった設計上の要件によって異なります。

図3：MCCのSiCショットキー技術の3世代（G4、G5、およびG6）の比較図

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この図は、順方向電圧（Vf）、接合容量（Cj）、サージ電流耐量（IFSM）、高温特性、チップサイズ、およびコストなど、主要な設計上の考慮事項における相対的なトレードオフを視覚的にまとめたものです。絶対値を示すものではなく、各世代が特定の用途に対応するために、さまざまな領域でどのように最適化されているかを示しています。

世代別の実用的指針

G4：熱安定性と実証済みの性能

G4デバイスは、優れた高温性能と安定した動作に最適化されています。接合温度が高い状態で連続動作する設計や、熱マージンおよび長期信頼性が最優先となる設計に適しています。

代表的な用途は以下のとおりです。

  • オンボードチャージャ（OBC）
  • 蓄電システム用インバータ
  • 住宅用および商用インバータシステム

G5：スイッチング性能と効率のバランス

G5は、小さい接合容量とスイッチング特性の向上に重点を置きつつ、高いサージ電流耐量（IFSM）を維持しています。そのため、スイッチング損失およびシステム性能に直接影響する高周波電力変換設計において、強力な選択肢となります。

代表的な用途は以下のとおりです。

  • EV充電設備
  • 系統連系PV（太陽光発電）インバータ
  • 高効率電力変換段

G6：サージ耐性とコストの最適化

G6は、プロセスおよびチップサイズの最適化により、強力なサージ電流耐量（IFSM）とコスト効率を重視しています。頻繁な過渡現象やサージストレスにさらされる用途向けに設計されており、基本的な電気特性を維持しながらコストの最適化が図られています。

代表的な用途は以下のとおりです。

  • サージ印加が大きいEV充電設備
  • マイクロインバータ
  • コスト重視の産業用電源

世代ベースの選択フレームワーク

「どのSiCショットキーが最適でしょうか？」と質問する代わりに、より実用的な質問は以下のとおりです。

「どの世代が私の動作条件に最適でしょうか？」

世代ベースのアプローチにより、設計者は以下のことが可能になります。

  • 実際のシステムストレスに対するデバイス性能への適合
  • 不要な過剰設計の回避
  • システムレベルでの効率、信頼性、およびコストの最適化

実用的な選択チェックリスト
最小のサージストレスで、スイッチング損失が最も小さく、逆回復が最も高速 SBD
低いリーク電流と安定した高電圧ブロッキング特性が必要 JBS
低損失でありながら、強力なサージ耐量と熱的堅牢性が必要 MPS

SiCショットキーダイオード製品ポートフォリオ概要

MCCのSiCショットキーポートフォリオは、複数の世代および電圧クラスにわたり、標準的な産業用デバイスおよび車載用デバイス（AEC-Q101準拠）の両方をカバーしています。以下の表では、G4、G5、およびG6製品を電流定格とパッケージタイプ別にグループ化し、650Vと1200V設計における迅速な整合性を確保しています。

製品の入手状況の凡例
太字 量産中のデバイス
斜体 技術評価用サンプルとして入手可能な量産前のデバイス

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表3：G4 SiCショットキーダイオード 650Vおよび1200V

IF（A） D2-PAK DPAK ITO-220AC TO-220AC TO-247AB SMA
SICX0165G4JQ
2 SICU02120G4J SICU02120G4JQ SICF02120G4JQ SICF02120G4JQ
4 SICU0465G4J SICU0465XG4J SICU0465G4JQ SICU0465XG4JQ SICF0465G4JQ SICF0465G4JQ
5 SICU05120G4J SICU05120G4JQ SIC05120G4J SICW10120DG4J
6 SIC0665G4J
8 SICU0865XG4J SICU0865XG4JQ SIC0865G4J
10 SICB10120G4J SICB10120XG4J SICB1065G4J SICU10120XG4JQ SICU1065G4J SICU1065XG4J SICU1065XG4JQ SICU1065G4JQ SIC10120G4J SIC10120G4JQ SIC1065G4J SICW10120DG4J
20 SICB20120G4J SICB20120XG4J SICB2065G4J SICB2065XG4J SICB2065G4JQ SICB2065XG4JQ SIC2065G4J SICW20120DG4J SICW2065DG4JQ
30 SICB3065G4J SIC3065G4J SICW30120DG4J

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表4：G5 SiCショットキーダイオード650Vおよび1200V

IF（A） D2-PAK DPAK ITO-220AC TO-220AC TO-247AB TO-247AD
4 SIC0465G5M
6 SICB0665G5M SIC0665G5M
8 SIC08120G5M
10 SICB1065G5M SIC10170G5M SIC1065G5M
15 SICF15120G5M SIC15120G5M SIC1565G5M SICWT15120G5M
20 SICB2065XG5M SICB2065XG5MQ SICU2065XG5M SIC20120G5M SIC2065G5M SICW2065DG5M SICWT20120G5M
30 SICW30120DG5M SICW3065DG5M SICWT30120G5M
40 SICW40120DG5M SICW4065DG5M SICWT40120G5M
50 SICB5065XG5M SICWT5065G5M
60 SICW60120DG5M

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表5：G6 SiCショットキーダイオード1200V

IF（A） D2-PAK DPAK TO-220AC TO-247AB TO-247AD
20 SICWT20120G6M
30 SICWT30120G6M
40 SICWT40120G6M

次のステップへのサポート

設計においてこれらの部品についてさらに詳しく知りたい、もしくは評価したいとお考えですか？Rectifier Diodes Technical Guideをご覧になり、整流ダイオードの種類、性能のトレードオフ、および用途に関する考慮事項について詳しくご確認ください。

SiCショットキーの選択を評価する準備ができたら、MCCは以下のサポートを提供します。

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