JP2008271207A - フリーホイールダイオードとを有する回路装置 - Google Patents

フリーホイールダイオードとを有する回路装置 Download PDF

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Abstract

【課題】既存の変換回路におけるノイズを低減しつつ、回路の導通損失を低減する。
【解決手段】 本願発明の代表的な形態は、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有し、フリーホイールダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とするショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが並列に接続して構成され、且つこれらのショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが別体のチップなる回路装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも一つのスイッチング素子とこれに並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有する回路装置に関するものである。本発明は、わけても整流素子を搭載するパワー半導体モジュールに適用して有用である。
半導体パワーモジュールはインバータを構成する素子として幅広い分野で使用されている。特に、スイッチング素子にＳｉ-ＩＧＢＴ (Insulated Gate Bipolar Transistor)を、フリーホイールダイオードにＳｉ-ＰｉＮダイオード（以下、ＰＮＤ）を用いたパワーモジュールは、高耐圧・低損失に優れ、鉄道・家電など幅広い分野で使用されている。近年、省エネが重要性を増しており、パワーモジュールには、更なる低損失化が求められている。パワーモジュールの損失はパワーデバイスの性能で決まるが、Ｓｉ-ＩＧＢＴは年々高性能化しているのに対して、Ｓｉ-ＰＮＤは大きなブレークスルーがないのが現状である。現状のダイオードでは、ＩＧＢＴのターンオンの際にダイオード中に蓄積されたキャリアが排出されるリカバリ電流が問題となっており、スイッチング損失を増大させる他ノイズの原因にもなっている。その為、リカバリの少ないダイオードが強く求められている。しかし、Ｓｉ-ＰＮＤの特性は既に、ほぼＳｉの材料物性で決まる領域に達しているため、大幅なリカバリ電流の低減は難しい状況である。これまでに、リカバリ電流を抑制するため技術として、ＰＮＤのアノード側の表面にショットキー界面を持つ領域を設け少数キャリアの注入を制限する技術などが開発されている。尚、ショットキー領域を有するＰＮＤの一例が特許第２５９０２８４号公報（特許文献１）に示されている。
一方、炭化珪素(ＳｉＣ)を基体とするパワー素子は、ＳｉＣの優れた物理特性から、Ｓｉのパワー素子を凌駕する性能が期待されている。ＳｉＣは破壊電界強度が大きいため、Ｓｉに比べ素子を大幅に薄くできることから、ユニポーラデバイスであっても高耐圧化と通電時の低抵抗化を同時に達成できる。又、バイポーラデバイスであっても、素子を薄くできることから、デバイスに蓄積されるキャリアが少なくなりスイッチング特性を向上させることができるという特徴もある。ＳｉＣデバイスのなかでも、ダイオードはスイッチング素子に比べ低オン抵抗化、大容量化が進んでいる。このため、Ｓｉ-ＩＧＢＴとＳｉＣのダイオードを組み合わせることにより、低損失化を実現する試みが行われている。尚、Ｓｉ-ＩＧＢＴとＳｉＣのダイオードを組み合わせた例が特開２００６-１４９１９５号公報（特許文献２）に示されている。
ＳｉＣのダイオードは、Ｓｉと異なりショットキーバリアダイオード（以下、ＳＢＤ）でも３ｋＶ以上の高耐圧を出すことが可能なため、耐圧クラスに応じてＳＢＤとＰＮＤを使い分けることができる。ＳＢＤはＰＮＤに比べて、拡散電位が小さく定格電流通電時の順電圧を低く抑えられるため、低耐圧領域で用いられる。又、ユニポーラデバイスであるため、ＩＧＢＴターンオンの際のリカバリ電流を非常に小さくすることができる。しかし、逆にリカバリ電流がほぼゼロになってしまうため、電流が急峻に変化し回路内の容量とインダクタンス成分の共振によるスイッチングノイズが発生してしまう。ノイズは素子を破壊するだけでなくシステム全体に障害を起こす可能性がある。更に、ＳＢＤはＰＮＤに比べ大電流を流すことができないため、サージと呼ばれる瞬間的な大電流で素子が破壊する恐れがある。一方、ＰＮＤは拡散電位が高いために低耐圧領域では定格電流通電時の順電圧が高くなってしまうが、バイポーラデバイスであるためドリフト層の厚さによる電圧増加分が少ない。従って、高耐圧領域ではＳＢＤに比べ定格電流通電時の順電圧が小さくなる。又、大電流を流すことができるためサージに対する耐量も高い。このように、ＳＢＤとＰＮＤはそれぞれ長所短所があり、用途に応じて使い分けることが求められる。
一方で、近年、これら２種類のダイオードを組み合わせた素子としてＭＰＳ(Merged ＰｉＮ Schottky)という構造も提案されている。これは、アノード側にＰＮ接合領域とショットキー接合領域を併せ持つ構造である。そして、通常動作領域では主にショットキー接合領域が働き、サージ電流が流れる際はPN接合領域が動作し素子を守る構造となっている。又、逆バイアス時はＰＮ接合領域から空乏層が伸びショットキー接合領域が高電界にさらされないため、ショットキー接合からのリーク電流を抑制できるという特徴もある。尚、ＭＰＳの一例がProceedings of ISPSD２００６, ３０５, “2nd Generation SiC Schottky Diode: A new benchmark in SiC device ruggedness”（非特許文献１）に示されている。
特許第２５９０２８４号公報 特開２００６-１４９１９５号公報 Proceedings of ISPSD２００６, ３０５, "２nd Generation SiC Schottky Diode: A new benchmark in SiC device ruggedness".
しかしながら、ＭＰＳ構造を含め、通常動作でＳＢＤのみが動作するデバイスにおいては、先に述べた回路内の容量とインダクタンス成分の共振によるノイズが発生してしまう。ノイズを抑制するためには、少しリカバリ電流を流してスイッチングをソフトにすればよいが、上記のＭＰＳ構造では、通常動作領域でＰＮＤは動作せずリカバリ電流はほとんど流れないため、ノイズを抑制することはできない。このＭＰＳ構造は、図９に示す構造を持っている。アノード側にＰＮ接合領域とショットキー接合領域を併せ持つ構造である。高濃度Ｎ＋型層１４とＮ−型ドリフト層１３が積層されており、Ｎ−型ドリフト層１３内に複数のｐ型不純物層１２及びｐ型ターミネーション層１６が形成されている。ｐ型不純物層１２に対しては、コンタクトメタル層１１を介してアンード電極１０が形成されている。尚、図の符号１１と１３の界面がショットキー接合部、符号１２と１３の界面がｐｎ接合部である。又、高濃度Ｎ＋型層１４の裏面にはカソード電極１５が形成される。又、層１７は絶縁体層である。
一方、３ｋＶ以上の高耐圧用途では、ＭＰＳ構造でも通常動作領域でＰＮＤとＳＢＤの順電圧が同程度になることがあるため、２種類のダイオードが同時に動作しノイズを低減できる可能性がある。しかし、上記ＭＰＳ構造をそのまま高耐圧用途に適用しても、電位勾配はショットキー領域に集中し、ＰＮ接合領域近傍での電位勾配がほとんど生じなくなり、ＰＮ接合の拡散電位以上の電圧をかけてもＰＮＤが動作しないという難点があった。
以上の技術的背景の下に、本願発明は、既存の変換回路におけるノイズを低減しつつ、当該回路の導通損失を低減せんとするものである。
本発明は、パワーモジュール内のフリーホイールダイオードの構成を、ＳＢＤとＰＮＤとを別チップで並列に配置することに最も大きな特徴を有する。前記ＳＢＤとしては、シリコンより大きなバンドギャップを有する半導体材料を母材とするもの、前記ＰＮＤとしては、シリコン或いはシリコンより大きなバンドギャップを有する半導体材料を母材とするものが用いられる。以下の本願発明の主な形態を列挙する。
（１）少なくとも、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有し、
前記フリーホイールダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とするショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが並列に接続して構成され、且つ
これらのショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが別体のチップなることを特徴とする回路装置である。
（２）少なくとも、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードを有し、
前記フリーホイールダイオードが、ＰｉＮダイオードと、直列に接続された二つ以上のショットキーバリアダイオードとで構成され、
前記ショットキーバリアダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とし、
前記ＰｉＮダイオードが、シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体材料を母材とし、且つ
前記ショットキーバリアダイオードと前記ＰｉＮダイオードとが各々別体のチップなることを特徴とする回路装置である。
（３）前記シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料が、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする前項（１）に記載の回路装置である。
（４）前記ショットキーバリアダイオードと前記ＰｉＮダイオードとを構成するシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料が、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする前項（２）に記載の回路装置である。
（５）前記ショットキーバリアダイオードが複数個の並列したショットキーバリアダイオードのチップで構成され、前記ＰｉＮダイオードのチップ数が、前記ショットキーバリアダイオードのチップ数より少ないことを特徴とする前項（１）に記載の回路装置である。
（６）前記ＰｉＮダイオードの接合面積が、前記ショットキーバリアダイオードの接合面積より少ないことを特徴とする前項（１）に記載の回路装置である。
（７）前記ショットキーバリアダイオードが、ジャンクションバリアショットキーダイオードであることを特徴とする前項（１）或いは（２）に記載の回路装置。
以上、本願発明の骨子を説明したが、本願発明によれば、基本的にＳＢＤとＰＮＤを別チップで並列に接続するため、各ダイオードに等しく電圧がかかり独立に動作する。又、ＳＢＤとＰＮＤの順電圧が等しくなる電流領域付近で使用するため、ＳＢＤの優れたリカバリ特性を維持しながらノイズを低減することができる。
本願発明によれば、既存の変換回路におけるノイズを低減できる。
以下、本願発明の実施例を図面を用いて説明する。
実施例１を説明する。本例は、少なくとも、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有し、前記フリーホイールダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とするショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが並列に接続して構成され、且つ、これらのショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが別体のチップなることを特徴とする回路装置の例である。尚、前記シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体材料の代表的な例は炭化珪素（ＳｉＣ）である。又、この材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）をも用いることが出来る。尚、フリーホイールダイオードとは、スイッチング素子のスイッチングに基づく回路の突然の変化を平滑化して、特性の電圧を保持し、スイッチング素子のオフ時には負荷に必要な電流を流す役割の、当該スイッチング素子の保護の役割を担うものである。
図１は本発明の第一の実施例で、パワーモジュールをインバータ回路に用いた際の回路図の主要部を示したものである。図２はパワーモジュールの一部の斜視図である。尚、図２では、前記スイッチング素子Ｓｉ−ＩＧＢＴ２とＳｉ−ＩＧＢＴ２’とで、図１におけるＩＧＢＴ２の相当する。そして、パワーモジュールの中にＳｉ-ＩＧＢＴ２に対して、ＳｉＣ-ＳＢＤ３及びＳｉ-ＰＮＤ４が並列に接続されている。Ｓｉ−ＩＧＢＴ２の両端が当該インバータ回路の電源に接続されている。こうしたインバータ回路の構成要素は、実装基板８上に、図２に例示するように配置されている。尚、図２は回路の一部を例示したもので、全回路を示すものではない。図２での各符号は図１のそれと同様である。尚、符号５はエミッター端子、符号６はゲート端子、符号７はコレクタ端子を示す。
本実施例の動作を簡単に説明する。３相インバータ回路においては、直列に接続されたふたつのＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ３およびＩＧＢＴ３'）が３相並列に接続されており、計6つのＩＧＢＴを順次オンオフさせることにより直流を任意の交流に変換することができる。ＩＧＢＴに並列に接続されたダイオード（ショットキーバリアダイオード３、３'およびＰｉＮダイオード４、４'）はＩＧＢＴがオフしている際に必要な電流を担う役割を果たしている。例えば、ＩＧＢＴ３をターンオフさせると、負荷に流れていた電流はＩＧＢＴ３'に並列に接続されたショットキーバリアダイオード３'およびＰｉＮダイオード４'に流れる。このとき、それぞれのダイオードに流れる電流比はダイオードの面積比および静特性で決まる。一方、この状態でＩＧＢＴ３'をターンオンさせるとショットキーバリアダイオード３'およびＰｉＮダイオード４'に流れていた電流は止まり、逆にダイオードに蓄積されていたキャリアが逆方向にリカバリ電流として流れる。このリカバリ電流はスイッチング損失を増大させる要因になるが、回路の共振によるノイズを抑制するダンパーの役割を担うという側面も持っている。
ＳｉＣ-ＳＢＤにＳｉのＰＮＤを組み合わせた事に起因して、次の利点が生ずる。Ｓｉ-ＰＮＤはＳｉＣ-ＰＮＤに比べてリカバリ電流が多いため、小面積のＳｉ-ＰＮＤを混載するだけでノイズを抑制することができる。図３にＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤの静特性の比較を示す。図には素子定格と通常使用する領域（斜線部）の例を示している。Ｓｉ-ＰＮＤを用いる際の特徴としては、図４に示すように、ＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤの静特性が似ているため、どの電流領域においてもＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤに流れる電流の比率をほぼ一定にすることができるという点である。そのため、ＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤに流れる電流の比率を常に最適に保つことができるため、ノイズとリカバリのトレードオフはより効果的に改善できる。また、本実施例ではどの耐圧クラスでもＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤの静特性は比較的近いため、耐圧に関係なく有効である。本実施例では、各デバイスの耐圧の例は４.５ｋＶである。
次に具体的な特性例を説明する。図４に、ＳｉＣ-ＳＢＤのみでインバータ回路を構成した場合、Ｓｉ-ＰＮＤのみの場合、及び、ＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤとを混載した場合のリカバリ特性を、比較して示す。各々の場合を、図中に、ＳｉＣ-ＳＢＤ、Ｓｉ-ＰＮＤ、及び混載と記した。各図において、横軸が時間、縦軸が電流或いは電圧を示す。ＳＢＤのみの場合、リカバリ電流３１は非常に小さいが、回路内の容量とインダクタンス成分の共振によるノイズが発生（４１）してしまう。ＰＮＤのみの場合は、リカバリ電流３２は大きくなるがスイッチングがソフトになるためノイズは発生しない（４２）。一方、ＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉ-ＰＮＤとを混載した場合は、リカバリ電流３３はＳＢＤとＰＮＤの中間となるが、ＰＮＤが動作するためノイズは発生しない（４３）。
ＳＢＤとＰＮＤの面積比はＳＢＤが多い方が望ましい。なぜなら、リカバリ電流はＳＢＤの方が小さいため、損失の観点では電流の大部分はＳＢＤに流した方が有利で、ＰＮＤはノイズを低減するために最低限の面積だけ混載すればよいからである。ノイズを低減するために必要なＰＮＤの比率に関しては回路のインダクタンス等により変化するが、概ねPNDに流れる電流が半分以下でノイズは低減できる。また、面積比を変える手段としては各チップの面積を変えるのではなく、図５および図６に示すようにそれぞれのチップ数を変えることが有効である。これにより面積比を簡単に変えることができる。
又、本実施例ではＳＢＤとＰＮＤを別チップで混載している。これは、先にも述べたとおり耐圧３.３ｋＶ以上ではＭＰＳ構造を作成してもＰＮＤが正常に動かないためである。同一チップ上にＳＢＤとＰＮＤを配置した場合でも、ＰＮ接合領域を十分広くとればＰＮＤの中心付近は正常に動作するが周辺部は動作しない。一方、別チップにすれば、すべてのアクティブ領域でダイオードが正常に動作するため面積的なロスがないだけでなく、プロセスの簡略化や歩留まりの向上も期待できる。現在、ＳｉＣの基板には、ＰＮ接合に悪影響を及ぼすといわれている基底面転位が数多く存在する。従って、ＰＮ接合を有するＰＮＤはＳＢＤに比べ歩留まりが低い。その為、ＳＢＤとＰＮＤを同一チップ上に形成するよりも、別チップにしてあとで組み合わせる方がトータルの歩留まりが向上し、コストを低減できる。基板品質が改善された場合でも、ＰＮＤは接合をイオン注入で形成することにより欠陥が入りやすいため、同様の効果がある。
この第１の実施例は、ＳｉＣ-ＳＢＤとＳｉＣ-ＰＮＤの組み合わせであったが、ＳＢＤはジャンクションバリアショットキーダイオード(ＪＢＳ)に置き換えても良い。ＪＢＳとはＳＢＤの表面にＰ領域を持った構造で、逆バイアス時にＰＮ接合から空乏層が伸びショットキー界面を保護するタイプのデバイスである。ＭＰＳとの違いは、Ｐ領域にオーミックコンタクトをとっておらずＰＮ接合領域がダイオードとして働かない点である。そのため、ＪＢＳの順方向特性はＳＢＤと同様であり、本実施例にも適用可能である。
次に、実施例２を説明する。本例は、少なくとも、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードを有し、前記フリーホイールダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とするショットキーバリアダイオードと、直列に接続された二つ以上のＰｉＮダイオードとが並列に接続して構成され、前記ＰｉＮダイオードが、シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体材料を母材とし、且つ前記ショットキーバリアダイオードと前記ＰｉＮダイオードとが各々別体のチップなることを特徴とする回路装置の例である。
図７は、実施例２で、パワーモジュールをインバータ回路に用いた際の回路の一部を示したものである。図１の例と異なる点は、（１）第１点は、シリコン半導体よりなるＰｉＮダイオードに変えて、シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体材料になるＰｉＮダイオードを用いること、（２）第２点は、こうしたショットキーバリアダイオードを直列に接続されて用いられる点である。前記シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体材料の代表的な例は炭化珪素（ＳｉＣ）である。又、この材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）をも用いることが出来る。図８に、本例の電圧電流特性を例示する。実線の曲線がＳｉＣのＰＮＤの特性、点線の曲線がＳｉＣのＳＢＤを二つ直列の接続したものの特性である。通常、ＳｉＣ−ＰＮＤとＳｉＣ−ＳＢＤは静特性が大きく異なり、通常動作領域でふたつのダイオードが同時に動作することはほとんどなかったが、ＳｉＣ−ＳＢＤを２直列にし電流が立ち上がる電圧を上げることによりふたつのダイオードが同時に動作する領域が生じている。これにより、実施例１と同様にＳｉＣ−ＰＮＤのリカバリ電流によりノイズを抑制しつつＳｉＣ−ＳＢＤの混載によりトータルのリカバリ電流を小さくすることで損失を抑制することができる。
なお、上記の実施例において、スイッチングデバイスはＳｉ-ＩＧＢＴ以外のデバイス、例えばＳｉ-ＧＴＯ(Gate Turn On Thyristor), ＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), ＳｉＣ-ＪＦＥＴ(Junction Field Effect Transistor)などでもよい。
本願発明は、少なくとも一つのスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がオフになると導通になり、スイッチング素子がオンになると逆方向にバイアスされるダイオードを有する回路装置、もしくは回路モジュールであるが、本願発明は、特に、直交変換に用いるインバータ、整流器、或いは直流変換器など、各種変換器に適用して、極めて有用である。
本発明によるモジュールの第１の実施例の回路図である。 本発明によるモジュールの第１の実施例の斜視図である。 本発明によるモジュールの第１の実施例の電流電圧特性図である。 本発明によるモジュールの第１の実施例の効果を示す説明図である。 本発明によるモジュールの他の実施例の回路図の一部である。 本発明によるモジュールの他の実施例の斜視図である。 本発明によるモジュールの第２の実施例の回路図の一部である。 本発明によるモジュールの第２の実施例の電流電圧特性図である。 これまでの代表的なＭＰＳ構造の断面図である。
符号の説明
１：インバータ回路の電源、２：Ｓｉ-ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、３：ＳｉＣ-ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、４：ＳｉＣ-ＰｉＮダイオード(ＰＮＤ)、５：エミッタ端子、６：ゲート端子、７：コレクタ端子、８：実装基板、９：Ｓｉ-ＰｉＮダイオード(ＰＮＤ)、１０：アノード電極、１１：コンタクトメタル、１２：P型不純物層、１３：Ｎ型ドリフト層、１４：高濃度N型層、１５：カソード電極、１６：Ｐ型ターミネーション層、１７絶縁体層

Claims (8)

  1. 少なくとも、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードとを有し、
    前記フリーホイールダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とするショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが並列に接続して構成され、且つ
    これらのショットキーバリアダイオードとシリコンＰｉＮダイオードとが別体のチップなることを特徴とする回路装置。
  2. 少なくとも、一つ以上のスイッチング素子と、これに並列に接続されたフリーホイールダイオードを有し、
    前記フリーホイールダイオードが、ＰｉＮダイオードと、直列に接続された二つ以上のショットキーバリアダイオードとで構成され、
    前記ショットキーバリアダイオードが、シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とし、
    前記ＰｉＮダイオードが、シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体材料を母材とし、且つ
    前記ショットキーバリアダイオードと前記ＰｉＮダイオードとが各々別体のチップなることを特徴とする回路装置。
  3. 前記シリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料が、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
  4. 前記ショットキーバリアダイオードと前記ＰｉＮダイオードとを構成するシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料が、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
  5. 前記ショットキーバリアダイオードが複数個の並列したショットキーバリアダイオードのチップで構成され、前記ＰｉＮダイオードのチップ数が、前記ショットキーバリアダイオードのチップ数より少ないことを特徴とする請求項１に記載の回路装
    置。
  6. 前記ＰｉＮダイオードの接合面積が、前記ショットキーバリアダイオードの接合面積より少ないことを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
  7. 前記ショットキーバリアダイオードが、ジャンクションバリアショットキーダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
  8. 前記ショットキーバリアダイオードが、ジャンクションバリアショットキーダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
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