ブロードバッファ構造による還流ダイオードの高性能化に

博 士 （ 工 学 ） 根 本 道 生

学 位 論 文 題 名

ブロードバッファ構造による還流ダイオードの高性能化に      関する研究

学位論文内容の要旨

  現 代 社 会 に お い て 、 電 カ は 様 々 な局 面 にお いて 利 用さ れて お り、 社会 の 発展 には 不 可欠 をも の と な っ て い る 。 こ の 電 カ を 利 用 し や すぃ 形 態に 変換 す る技 術が パ ワー エレ ク トロ ニク ス であ る。 こ の 技 術 に お い て は 、 省 電 カ の た め 、 変換 の 際に 発生 す る熱 損失 を 十分 低く 抑 える こと が 強く 要求 さ れ る 。 イ ン バ ー タ は 、 低 損 失 型 の 代 表的 を 電力 変換 装 置で あり 、 電鉄 、電 気 自動 車、 家 電、 産業 な ど に 現 在 広 く 用 い ら れ て い る 。 こ の イン バ ータ の電 気 的特 性を 決 める のが 、 イン バー タ に組 み込 ま れ る 電 力 用 半 導 体ス イッ チ であ り、 そ の代 表が 絶 縁ゲ ←ト 型 バイ ポー ラ トラ ンジ ス タ(Insulated Gate Bipolar Transistor以 下IGBT)で あ る 。 一 方 、 イ ン バ ー タ に 接 続 さ れ る 誘 導n荷に 起 因す る還 流 電 流 か らIGBTを 保 護 す る た め に 欠 か せ 誼 い 役 割 を 担 う の が 、 半 導 体 の 還 流 ダ イ オー ド であ る。 イ ン

′ ヾ ー タ の 省 電 力 化 に は 、IGBTと 還流 ダ イオ ード 双 方の 低損 失 化が 必要 不 可欠 であ る 。特 に、 還 流 ダ イ オ ― ド に お い て は 、 還 流 電 流 を阻 止 する 際に 逆 方向 に大 量 に流 れる 逆 回復 電流 が 発生 し、 そ れ が 逆 回 復 時 の 電 気 的 損 失 で あ る 逆 回 復 損 失 の 増 加 に っ な が る 。 近 年 のIGBTの 飛躍 的 を高 速化 に と も な い 、 イ ン バ ー タ の 全 電 力 損 失 にお け る還 流ダ イ オー ドの 損 失の 割合 は 増加 する 傾 向に あり 、 イ ン バ ー タ 損 失 の 低 減 の た め に は 還 流ダ イ オー ドの 導 通時 の損 失 と逆 回復 損 失の 低滅 が 不可 欠と を っ て い る 。 し か し 、 逆 回 復 損 失 の 低 減を 図 ると 、逆 回 復時 にお け るダ イオ ー ドの 発振 現 象が 顕在 化 す る こ と が 明 ら か に な っ て い る 。 こ の逆 回 復発 振は 、 変換 機か ら 発生 する 電 磁ノ イズ の 原因 とを る た め 、 環 境 問 題 へ の 配 慮 か ら 、 こ れ を抑 え るこ とが 不 可避 な課 題 とを って い る。 しか し をが ら、 こ れ ま で ダ イ オ ー ド の 損 失 低 減 と 逆 回 復発 振 の抑 制を 両 立で きる ダ イオ ード の 特性 改善 方 法が 無く 、 こ の 課題 を 解決 する 新 しい 方法 の 確立 が急 務 であ る。

  本 研 究 は 、 還 流 ダ イ オ ー ド に お ける 逆 回復 発振 現 象を 実験 、 デイ バス ・ シミ ュレ ー ショ ン、 お よ び 数 値 解 析 に よ っ て 系 統 的 に 調 ベ 、そ の 原因 を解 明 し、 さら に はこ の問 題 を解 決す る 方法 を提 案 す る こ と を 目 的 と す る 。 研 究 の 結 果 、逆 回 復時 のキ ャ リア の枯 渇 が発 振の 直 接的 を原 因 であ るこ と が 明 ら か に を っ た 。 ま た こ れ ら の 解 析 か ら 、 ダ イ オ ー ド の 逆 回 復 損 失 低 減 と 発 振抑 制 を両 立す る に は 、 空 乏 層 の 空 間 的 広 が り を 抑 え るこ と によ って 逆 回復 時の キ ャリ アの 枯 渇を 防ぐ 方 法が 有効 で あ る こと を 示し た。 さ らに 、こ れ らの 知見 を 基に 、p―i―n型 ダイ オー ド のi層 （ド リフ ト層） に山型の ド ー ピ ン グ 濃 度 分 布 を 持 た せ た ブ ロ ー ド バ ッ フ ァ(BB)ダ イ オ ー ド を 新 た に 提 案 し た 。 こ のBBダ イ オ ー ド を 用 い る こ と に よ っ て 、 逆回 復 時の 電気 的 損失 の低 減 と発 振抑 制 を初 めて 両 立さ せる こ と に 成 功 し た 。 ま た 、 実 際 にBBダ イ オ ー ド を 試 作 ・ 評 価 す る こ と に よ っ て 、BBダ イ オ ー ド の 有 効 性 を 実 証 し た 。 こ れ に よ り 、 電 力 変換 技 術に 不可 欠 をパ ワー 半 導体 デバ イ スの 新し い 方向 性が 拓 か れ たこ と にを る。 各 章の 概要 は 、以 下の 通 りで ある 。

  第1章 は 序 論 で あ り 、 本 論 文 の 主 題 で あ る ブ ロ ー ド バ ッフ ァ 構造 によ る 還流 ダイ オ ード の高 性 能 化 に 関 す る 研 究 の 背 景 と 還 流 ダ イ オ ー ド の 抱 え る 課 題 に つ い て 概 説 し 、 本 研 究の 目 的を 述べ る 。   第2章 で は 、 第1章 で 述 べ た 研 究 の 背 景 で あ る 電 力 変 換 装 置 、 特 に イ ン バ ー タの 動 作、 イン バ ー

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タ の 基 本 要 素 と を る 半導 体 ス イ ッ チと し て のIGBT、 お よ び還 流 ダ イ オ ード の 役 割 や 要求 特 性 を 詳 し く 解説 す る 。 さ らに 、 還 流 ダ イオ ー ド の 低 損 失化 に 伴 う 課 題、 すなわ ち逆回 復時に 発生す る振 動 現 象 につ い て 概 説 する 。

  第3章 で は 、ダ イ オ ー ド の 逆回 復 発 振 現 象の 原 因 に つ いて 考 察 す る 。逆 回 復 振 動 現 象は、 ある発 振 開 始閾 値 電 圧 以 上の 電 源 電 圧 にお い て 発 生 す るこ と を 明 ら かに し、逆 回復発 振現象 の起き 易さ が こ の 発振 開 始 閾 値 によ っ て 特 徴 づけ ら れ る こ と を示 し た 。 ま た、 発振開 始閾値 が逆回 復開始 時の 初 期 電 流の 減 少 に 伴 って 低 下 す る こと を 明 ら か に した 。 こ の こ とは 、これ まで知 られて いた低 電流 の 逆 回 復で 発 振 が 顕 著に 生 じ や す いと い う 経 験 則 を初 め て 定 量 的に 示した ことに をって いる。 また 、 デ バ イス ・ シ ミ ュ レー シ ョ ン に より 、 逆 剛 復 発 振現 象 発 生 時 のダ イオー ドの内 部状態 を解析 し、 逆 回 復 時の キ ャ リ ア の枯 渇 が 発 振 の直 接 的 を 原 因 とを っ て い る こと を明ら かにし た。さ らに、 キャ リ ア の 枯渇 が 何 故 発 振を 引 き 起 こ すか に つ い て の 物理 的 理 由 を 解明 し、理 論的・ 数値的 なアプ ロー チ に よ り発 振 開 始 閾 値の 初 期 電 流 依存 性 を 定 量 的 に説 明 し た 。 これ らの解 析から 、還流 ダイオ ード の 逆 回 復損 失 低 減 と 発振 抑 制 の 両 立に は 、 逆 回 復 時の キ ャ リ ア の枯 渇を防 ぐこと 、すを わち空 乏層 の 広 が りを 抑 え る こ とが 電 要 で あ るこ と を 明 ら か にし た 。

  第4章 で は 、 第3章 の 解 析 で得 ら れ た 知 見 を基 に 、 逆 回 復振 動 現 象 の 抑制 と 低 損 失 化を 両 立 で き る 新 し い 構 造 の ダ イ オ ー ド で あ る ブ ロ ー ド バ ッ フ ァ(BB)ダ イ オ ー ド を提 案 す る 。BBダ イ オ ー ド は 、p‑i‑n構造 のi層 （ ドリ フ ト 層 ） の広 い 領 域 に おい て 山 型 のド ーピ ング濃 度分布 を有す る構造 を 取 っ てい る 。 逆 回 復時 に は 山 型 ドー ピ ン グ の 山 頂の 位 置 で 空 乏層 の広が りが抑 えられ るため 、逆 回 復 中 のキ ャ リ ア の 枯渇 を 遅 ら せ るこ と が で き 、 その 結 果 発 振 開始 閾値が 増加す る。ま た、従 来型 ダ イ オ ー ド に 対 す るBBダ イ オ ー ド の優 位 性 を 検 証す る た め に 、導 通 損 失 、 逆 回復 損 失 、 お よび 発 振 開 始 閾値 に 基 づ ぃ た新 た な 指 標 を導 入 す る こ と によ っ て 、 還 流ダ イオー ドの総 合特性 を比較 評価 す る 方 法を 考 案 し た 。様 々 を パ ラ メー タ の 値 を 設 定し た 多 数 の サン プルの ダイオ ードに 対し、 デバ イ ス ・ シ ミ ュ レ ー シ ョ ンに よ り こ の 指標 を 評 価 し た 結果 、BBダイ オ ー ド が 発 振抑 制 と い う 観点 に お い て 優 れ た 特 性 を 示 す 新 た を カ テ ゴ り に 属 す る ダ イ オ ー ド で あ る こ と が 判 明 し た 。   第5章 で は 、BBダ イ オ ー ド を 作 成 す る 方 法を 検 討 し 、 実際 に 試 作 ・ 評価 し た 結 果 を解 説 す る 。 LSIや メ モ り の形 成 プ ロ セ ス に用 い ら れ る 通常 の ド ー ピ ング 方 法 で は 、ド リ フ ト 層 の 深部に 山型の ド ー ピン グ 濃 度 分 布を 形 成 す る こと は で き を い 。本 研 究 で は 、二 つの方 法でこ のよう をドー ピン グ 構 造 が 実 現 で き る こ とを 実 証 し た 。一 つ は ガ ス 流 を制 御 し を が らエ ピ タ キ シ ャル 層 を100 pm以 上 成 長 させ る 方 法 で あり 、 も う ー つは 水 素 イ オ ン を高 加 速 エ ネ ルギ ーで注 入して 水素関 連ドナ ーを 形 成 す る 方 法 で あ る 。 本研 究 で は こ れら ニ つ の 形 成 方法 を 実 際 に 試し 、BBダ イオ ー ド を 作 成し た 。 作 成 さ れ たBBダ イ オ ー ド の 性 能 を 評 価 し た 結 果 、 実 際 のBBダ イ オ ー ドに お い て も 高い 発 振 抑 制 効 果 が 現 れ 、 イ ン バ ー タ 損 失 の 低 減 に 大 き く 寄 与 す る こ と を 明 ら か に し た 。   第6章 は 結 言で あ り 、 逆 回 復発 振 現 象 の 解析 と そ の 原 因の 究 明 、 逆 回復 発 振 現 象 を 抑える 新たを BBダ イ オ ー ド の 提 案、 動 作 原 理 およ び そ の 解 析、 さ ら に 実 際のBBダ イ オー ド の 試 作 評価 糸 占 果 に つ い て ま と め る と と も に 、 今 後 の パ ワ ー 半 導 体 デ バ イ ス の 課 題 に つ い て 述 べ る 。

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学位論文審査の要旨

主査   教授    矢久保考介 副査   教授    武藤俊一

副査   教授   小笠原悟司（情報科学研究科）

学 位 論 文 題 名

ブロードノヾッファ構造による還流ダイオードの高性能化に      関する研究

  現代 社 会 に お いて 、 電 カ は 様々 な 局 面 に お いて 利 用 さ れ てお り 、 社 会 の発 展 には不 可欠な もの と を っ てい る 。 こ の 電 カを 利 用 し や すい 形 態 に 変 換す る 技 術 が パワ ー エ レ ク ト ロニク スであ る。こ の 技 術 にお い て は 、 省 電カ の た め 、 変換 の 際 に 発 生す る 熱 損 失 を十 分 低 く 抑 え ること が強く 要求さ れ る 。 イン ′ ヾ ー タ は 、低 損 失 型 の代 表的な 電力変 換装 置であ り、電 鉄、電 気自 動車、 家電、 産業を ど に 現 在 広 く 用 い ら れ て い る 。 イ ン バ ー タの 省 電 力 化 には 、 絶 縁 ゲ ート 型 バ イ ポ ーラ ト ラ ン ジ ス タ (IGBT)と 還流 ダ イ オ ー ド双 方 の 低 損 失 化が 必 要 不 可 欠で あ る 。 特 に、 還 流 ダ イオ ードに おいて は、

還 流 電流 を 阻 止 す る 際に 逆 方 向 に 大量 に 流 れ る 逆回 復 電 流 が 発生 し 、 そ れ が 逆回復 時の電 気的損 失 で あ る逆 回 復 損 失 の 増加 に っ な が る。 逆 回 復 損 失の 低 減 を 図 ると 、 逆 回 復 時 におけ るダイ オード の 発 振 現象 が 顕 在 化 す るこ と が 明 ら かに な っ て い る。 こ の 逆 回 復発 振 は 、 変 換 機から 発生す る電磁 ノ イ ズ の原 因 と を る た め、 環 境 問 題 への 配 慮 か ら も、 ダ イ オ ー ドの 損 失 低 減 と 逆回復 発振の 抑制を 両 立 で きる ダ イ オ ー ド の特 性 改 善 が 急務 の 課 題 と をっ て い る 。

  本研 究 は 、 還 流ダ イ オ ー ド にお け る 逆 回 復 発振 現 象 を 実 験、 デ イ バ ス ・シ ミ ュレー ション 、お よ び 数 値解 析 に よ っ て 系統 的 に 調 ベ 、そ の 原 因 を 解明 し 、 さ ら には こ の 問 題 を 解決す る方法 を提案 し て い る 。 研 究の 結 果 、(1)逆 回 復 時 のキ ャ リ ア の 枯渇 が 発 振 の 直 接的 を 原 因 で ある こ と が 明 らか に を っ た 。(2)空 乏 層 の 空間 的 広 が り を抑 え る こ と によ っ て 逆 回 復 時の キ ャ リ ア の枯 渇 を 防 ぐ 方法 が 有 効 であ る こ と を 示 した 。(3)こ れ ら の 知 見を 基 に 、p‑i‑n型ダ イオ ードのi眉 （ドリ フト層 ）に山 掣 の ド ー ピ ン グ濃 度 分 布 を 持 たせ た ブ ロ ー ド′ ミ ッ フ ア(BB)ダ イオ ー ド を 新 た に提 案 し た 。(4)実 際 にBBダ イ オ ー ド を 試 作 し 、 逆 回 復 時の 電 気 的 損 失の 低 減 と 発 振 抑制 を 初 め て 両立 さ せ る こ とに 成 功 し 、BBダ イ オ ード の 有 効 性 を実 証 し た 。

  本 論 文 は以 下 の よ う に構 成 さ れ て いる 。 第1章 は序 論 で あ り 、 ブロ ー ド バ ッ フア 構 造 に よ る還 流 ダ イ オー ド の 高 性 能 化に 関 す る 研 究の 背 景 と 還 流ダ イ オ ー ド の抱 え る 課 題 に ついて 概説し 、本研 究 の 目 的 を 述 べ て い る 。 第2章 で は 、 第1章 で 述 べ た研 究 の 背 景 で ある 電 力 変 換 装置 、 特 に イ ンバ ー タ の 動 作 、 イ ン バ ー タ の 基 本 要 素 と を る半 導 体 ス イ ッチ と し て のIGBT、 およ び 還 流 ダ イ オー ド の 役 割 や 要 求 特性 を 解 説 し て いる 。 第3章 では 、 ダ イ オ ード の 逆 回 復 発振 現 象 の 原 因に つ い て 考 察 し て い る。 逆 回 復 振 動 現象 は 、 あ る 発振 開 始 閥 値 電圧 以 上 の 電 源電 圧 に お い て 発生す ること を明ら か に し 、発 振 開 始 閾 値 が逆 回 復 開 始 時の 初 期 電 流 の減 少 に 伴 っ て低 下 す る こ と を明ら かにし た。さ ら に 、 発 振 現 象 の 物 理 的 起 源 に つ い て も 議論 し て い る 。第4章 で は 、第3章 の 解 析で 得 ら れ た 知見 を 基 に 、逆 回 復 振 動 現 象の 抑 制 と 低 損失 化 を 両 立 でき る 新 し い 構造 の ダ イ オ ー ドであ るプロ ードバ ッ

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フア(BB)ダイオードを提案している。BBダイオードは、p‑i‑n構造のi層（ドリフト層）の広い領 域において山型のドーピング濃度分布を有する構造を取っている。また、従来型ダイオードに対す るBBダ イオードの優位性を検証するために、導通損失、逆回復損失、および発振開始閾値に基づ いた新たな指標を導入することによって、還流ダイオードの総合特性を比較評価する方法を考案し てい る。第5章では 、BBダイ オードを作成する方法を検討し、実際に試作・評価した結果を解説 している。LSIやメモりの形成プ口セスに用いられる通常のドーピング方法では、ドリフト層の深 部に山型のドーピング濃度分布を形成することはできをい。本研究では、このようなドーピング構 造を 実現するためのニつの方法を提案し、実際にこれら方法を用いてBBダイオードを試作してい る。また、その性能を評価することでBBダイオードの有効性を実証している。第6章は糸占占であ り、 逆回復発振現象の解析とその原因の究明、逆回復発振現象を抑える新たをBBダイオードの提 案、 動作原理およびその解析、さらに実際のBBダイオードの試作評価結果についてまとめるとと もに、今後のパワー半導体デバイスの課題について述べている。

  これを要するに著者は、電力変換技術の主要な役割を果たすイン′ヾーターの省電力化において障 害とをっている還流ダイオードの逆回復発振現象の物理的起源を解明し、ブロードバッフア・ダイ オードという特殊をドーピング構造を持つ新規還流ダイオードの有効性を実証することにより、新 しいカテゴリーに属するインバーターを提案している。これらの研究成果は、電力変換技術に対す る深 い理解と新たを知見を与えることでパワー半導体デバイスの新たを方向性を示しており、パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス お よ び 応 用 物 理 学 に 対 し て 貢 献 す る と こ ろ 大 を る も のが あ る 。   よっ て 、 著 者は 、 北 海 道大 学 博 士 （工 学 ） の 学位 を 授 与 される 資格ある ものと 認める 。