第 5 章 p - ドリフト層を有する SiCGT のオン電圧劣化特性
5.4 SiCGT の最小点弧電流劣化
5.4.1 最小点弧電流劣化とオン電圧劣化との関係
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現象は最小点弧電流劣化呼ばれ、最小点弧電流の通電ストレス試験前後の増加量をIGTmin とする。最小点弧電流劣化が発生し、IGTminが大きくなると、駆動回路から供給される点 弧電流が不足し、SiCGT のターンオンができなくなる可能性がある。実際に、最小点弧電 流劣化したSiCGTを含む三相インバータを動作させると、SiCGTは破壊しないが、欠相し た三相波形が得られ、インバータとして正常に動作しなくなった。そのため、最小点弧電 流劣化の原因を調べ、対策を検討する必要がある。
図5. 11 RTにおけるSiCGTの最小点弧電流の通電ストレス時間依存性の推移
そこで、最小点弧電流劣化の原因について調べるために、SiCGTのアノード(A)-ゲート(G) 特性(ゲート特性)を測定した。測定した特性は、SiCGT のアノードとゲート間に存在する pn ダイオードの順方向の電流-電圧特性を示している。測定に用いた SiCGT のIGTminは、
0.15Aであった。測定には、テクトロニクス社製370カーブトレーサのAC半波モードを用
いた。図5. 12に通電ストレス試験前後のSiCGTのアノード(A)-ゲート(G)特性を示す。通電
ストレス試験後のアノード-ゲート間の電流は、通電ストレス試験前と比べて、0.1A～0.2A 程度増加している。ショックレー型積層欠陥が拡大した場合、順方向電圧は、増大(劣化) するが、図5. 12では順方向電圧が減少(電流が増加)している。
まず、順方向電圧が増大(劣化)しなかった原因について述べる。第 2.4.2 節で述べた順方 向電圧劣化は、電流の流れる方向とショックレー型積層欠陥が垂直に位置している場合に 発生する。SiCGTのアノード-ゲート間の電流は、nゲート層中を図5. 13のように[11－00]方 向、もしくは、[1－100]方向に流れる。ショックレー型積層欠陥は(0001)基底面上に存在し、
電流方向([11－00]、もしくは、[1
－100]方向)と平行であるため、順方向電圧が増加しなかった。
0 2 4 6 8 10
101 102 103
Current Stress Time [hour]
Minimum Gate Trigger Current ( IGTmin) [mA]
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図5. 12 通電ストレス試験前後のSiCGTのゲート特性(アノード(A)-ゲート(G)間の電流-電圧 特性、通電ストレス試験条件:通電電流50A、温度70℃、10時間)
図5. 13 SiCGTのアノード-ゲート間に流れる電流の{112－0}面から見た模式図: アノード-ゲ
ート間の順方向に電流が流れる時、ベース領域では、図の矢印のように電流は{0001}面と平 行な方向に流れる。ショックレー型積層欠陥は{0001}面と平行に存在するため、電流は、シ ョックレー型積層欠陥によってさえぎられない。また、通電時、アノード側から正孔が、
ゲート側から電子が流れる。電流は最短距離を流れるため、図の矢印の箇所を流れる。そ のため電子と正孔の再結合は、アノードフィンガー周辺部で発生しやすくなる。
2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3
0 0.5 1 1.5 2
A-G Forward Voltage [V]
A-G Forward Current [A]
before Stress after Stress
anode (A)
gate (G) gate (G)
[0001]
[1100]
[1120]
_
_
+ +
+
+ + + +
+ +
+ + +
+
+ +
+
--
--
--
-- -
-base
anode finger
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次に、順方向電流が増加(順方向電圧が減少)した原因について述べる。前述のとおり、シ ョックレー型積層欠陥と電流の流れる方向が平行なため、ショックレー型積層欠陥を介し た再結合電流が発生したためと考えられる。アノード-ゲート間でショックレー型積層欠陥 を介したキャリアの再結合が発生すると、ゲート層への注入率が低下し、電流増幅率が低 下する。その結果、最小点弧電流劣化が発生していることが考えられる。順方向電流の増 加量が、最小点弧電流劣化量(IGTmin)とほぼ同じ値を示していることからも、アノード-ゲー ト間に、ターンオンに寄与しない電流が発生し、それが、最小点弧電流劣化を起こしてい ることが示唆される。
次に、最小点弧電流劣化とオン電圧劣化の関係について述べる。図5. 14に、図5. 10お よび図5. 11で示したSiCGTのVFとIGTminの関係を示す。VTが増加すると、IGTminも増
加する。VFとIGTminの相関係数は、0.95で、正の相関がある。オン電圧劣化は、ショック
レー型積層欠陥が原因であるため、最小点弧電流劣化もショックレー型積層欠陥に起因す ることが示唆される。
図5. 14 異なる12個のSiCGTより得られたVFとIGTminの相関(通電ストレス試験条件:通電
電流50A、温度70℃、10時間): 相関係数は0.95となった。