WO2022009970A1 - 電力変換回路および電力変換システム - Google Patents

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diode
switching element
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gallium oxide
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英人 北角
佑典 松原
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株式会社Flosfia
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion circuit and a power conversion system.
  • gallium oxide Ga 2 O 3
  • semiconductor devices for power such as inverters and converters are attracting attention. It is expected to be applied to.
  • the gallium oxide can control the bandgap by mixing indium and aluminum individually or in combination, and constitutes an extremely attractive material system as an InAlGaO-based semiconductor. ..
  • Patent Document 1 as a free wheel diode of the switching circuit configured to include a Schottky diode and transistor, the use of Schottky diode comprising a ⁇ -Ga 2 O 3 based semiconductor is described.
  • problems and the like when actually incorporating it into a switching circuit have not been sufficiently studied.
  • problems such as low thermal conductivity of the gallium oxide substrate, and it is not something that can be used industrially.
  • any one of a wide bandgap semiconductor element (silicon carbide, gallium nitride, gallium oxide or diamond) is used for a part or all of the diode or the switching element in the switching unit of the AC-DC converter. It is described that the type or combination) is used. However, the problems of each semiconductor element have not been examined, and the radiation noise has not been sufficiently satisfied. Further, especially when gallium oxide is used, there is also a problem of heat generation in the entire circuit.
  • An object of the present invention is to provide a power conversion circuit in which radiation noise is suppressed.
  • the present inventors have a switching element that opens and closes the input voltage via the reactor, and a voltage including at least the electromotive force generated from the reactor when the switching element is turned off.
  • the commutation diode is provided with at least a commutation diode that conducts the current flowing in the direction of the electromotive force, and the commutation diode is a power conversion circuit including a gallium oxide-based Schottky barrier diode, and the commutation diode is a Si-based diode or a SiC-based diode. It was found that the radiation noise was reduced as compared with the one using a diode, and it was found that such a power conversion circuit can solve the above-mentioned conventional problems at once.
  • a switching diode that opens and closes the input voltage via a reactor and a commutation diode that conducts a current flowing in the direction of the electromotive force by a voltage including at least an electromotive force generated from the reactor when the switching element is turned off.
  • a power conversion circuit comprising, at least, the commutation diode including a gallium oxide-based Schottky barrier diode.
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode contains at least an n-type semiconductor layer, and the carrier concentration of the n-type semiconductor layer is 2.0 ⁇ 10 17 / cm 3 or less.
  • a power conversion system comprising at least a commutation diode for conducting a current flowing in the direction of the electromotive force and an output capacitor, and a gallium oxide-based Schottky barrier diode is used as the commutation diode. ..
  • the switching element includes a gallium oxide-based MOSFET, a gallium oxide-based IGBT, a gallium nitride-based HEMT, a SiC-based MOSFET, or a SiC-based IGBT.
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode contains at least an n-type semiconductor layer, and the carrier concentration of the n-type semiconductor layer is 2.0 ⁇ 10 17 / cm 3 or less. 14] The power conversion system according to any one of.
  • the power conversion circuit of the present invention has reduced radiation noise.
  • the power conversion circuit of the present invention has a switching element that opens and closes a voltage input from an input power supply via a reactor, and an electromotive force generated from the reactor when the switching element is turned off due to the bias of the switching element during the on period. It is characterized by including at least a commutation diode that conducts a current flowing in the direction of the electromotive force by a voltage included at least, and the commutation diode includes a gallium oxide-based Schottky barrier diode. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the commutation diode is arranged on the output side of the reactor.
  • the power conversion circuit further includes a capacitor, and a current flowing in the direction of the electromotive force by a voltage including at least the electromotive force generated from the reactor is transmitted through the commutation diode. It is preferable to have a configuration for supplying the capacitor. Further, the power conversion circuit is not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired, but in the embodiment of the present invention, a converter circuit is preferable, and a boost converter circuit is more preferable.
  • the switching element is not particularly limited and may be a MOSFET or an IGBT as long as the object of the present invention is not impaired.
  • the switching element include gallium oxide-based MOSFETs, gallium oxide-based IGBTs, gallium nitride-based HEMTs, SiC-based MOSFETs or SiC-based IGBTs, Si-based MOSFETs, Si-based IGBTs, and the like.
  • the switching element is a gallium oxide-based MOSFET, a gallium oxide-based IGBT, a gallium nitride-based HEMT, a SiC-based MOSFET, or a SiC-based IGBT.
  • the switching element includes a freewheel diode. The freewheel diode may be built in the switching element or may be externally attached.
  • the commutation diode is long as long as it conducts a current flowing in the direction of the electromotive force by a voltage including at least an electromotive force generated from the reactor when the switching element is turned off by urging the switching element during the on period.
  • the power conversion circuit further includes an output capacitor (smoothing capacitor) so that the current is supplied to the output capacitor.
  • the commutation diode is arranged so as to prevent the charge accumulated in the output capacitor from flowing back, because noise countermeasures can be better taken. ..
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode is not particularly limited as long as it uses a gallium oxide-based semiconductor, as long as it does not impair the object of the present invention.
  • the gallium oxide-based semiconductor include a gallium oxide or a semiconductor containing a mixed crystal of gallium oxide.
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode is a junction barrier Schottky diode (JBS).
  • JBS junction barrier Schottky diode
  • the crystal structure of the gallium oxide-based semiconductor is also not particularly limited as long as the object of the present invention is not impaired.
  • the crystal structure of the gallium oxide-based semiconductor includes, for example, a corundum structure, a ⁇ -galia structure, a hexagonal structure (for example, ⁇ -type structure, etc.), a rectangular structure (for example, a ⁇ -type structure, etc.), a cubic structure, or a square structure.
  • a crystal structure and the like can be mentioned.
  • the crystal structure of the gallium oxide semiconductor has a corundum structure because a power conversion circuit having more excellent switching characteristics can be obtained.
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode contains at least an n-type semiconductor layer, and the carrier concentration of the n-type semiconductor layer is 2.0 ⁇ 10 17 / cm 3 or less. This is preferable because the effect of reducing radiation noise can be more satisfactorily exhibited and the heat generation of the entire circuit can be further reduced.
  • the carrier concentration of the n-type semiconductor layer is preferably in the range of 1.0 ⁇ 10 16 / cm 3 to 5.0 ⁇ 10 16 / cm 3 .
  • the thickness of the n-type semiconductor layer is not particularly limited, but is preferably 1 ⁇ m to 30 ⁇ m, more preferably 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and most preferably 2 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode further includes an n + type semiconductor layer.
  • the carrier concentration of the n + type semiconductor layer is not particularly limited, but is usually in the range of 1 ⁇ 10 18 / cm 3 to 1 ⁇ 10 21 / cm 3 .
  • the thickness of the n + type semiconductor layer is also not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 0.1 ⁇ m to 30 ⁇ m, more preferably 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and 0.1 ⁇ m to 0.1 ⁇ m. Most preferably, it is 4 ⁇ m.
  • the thermal resistance can be further reduced while maintaining the switching characteristics.
  • the switching element and the commutation diode use different semiconductors, and the band gap of the semiconductor used in the gallium oxide-based Schottky barrier diode is set. It is more preferable that the band gap is larger than the band gap of the semiconductor used in the switching element. With such a preferable configuration, even when a semiconductor having a bandgap smaller than that of the gallium oxide-based Schottky barrier diode is used for the switching element, the performance of the switching element can be exhibited better. Can be done.
  • the switching frequency of the power conversion circuit is not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 100 kHz or more, more preferably 300 kHz or more, and even more preferably 500 kHz or more.
  • the gallium oxide-based Schottky barrier diode as a commutation diode, it is possible to realize a power conversion circuit in which radiation noise is reduced even if the switching frequency is such a high frequency.
  • FIG. 1 schematically shows a power conversion system including a power conversion circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • the power conversion system of FIG. 1 is a power factor improving system, which is an AC power supply 1, a diode bridge 2, an input capacitor 3, a reactor 4, a switching element 5, a freewheel diode 6, a commutation diode 7, an output capacitor 8, and a load 9. It has.
  • the reactor 4, the switching element, the freewheel diode 6, the commutation diode 7, and the output capacitor 8 constitute a power conversion circuit 10 as a power factor improving circuit.
  • the diode bridge 2 and the input capacitor 3 form a full-wave rectifier circuit to rectify the voltage input from the AC power supply 1.
  • the reactor 4 is urged during the on period of the switching element 5, the current of the reactor 4 is commutated to the commutation diode 7 during the off period of the switching element 5, and the voltage is output by the sum of the generated voltage and the input voltage of the reactor 4.
  • the operation of charging the capacitor 8 is periodically repeated to generate a voltage higher than the input voltage.
  • the power supply 1 is not particularly limited as long as it can supply an AC voltage.
  • Examples of the power source 1 include a commercial power source and the like. Further, the power supply 1 may be input by converting a DC voltage or an AC voltage into an AC voltage by using a desired conversion circuit, for example.
  • the power conversion circuit 10 in FIG. 1 may further include a filter and a transformer.
  • the commutation diode 7 conducts a current flowing in the direction of the electromotive force by a voltage including at least an electromotive force generated from the reactor 4 when the switching element 5 is turned off due to the urging of the switching element 5 during the on period. It prevents the charged charge from flowing back to the output capacitor 8.
  • a gallium oxide-based Schottky barrier diode for the commutation diode 7 the radiation noise of the entire power conversion circuit can be reduced. Further, by reducing the noise, it is possible to reduce the heat generation of the entire power conversion circuit. Further, by reducing the radiation noise of the entire power conversion circuit, it is possible to reduce the size of noise suppression components such as filters and capacitors (not shown), for example.
  • FIG. 2 schematically shows a power conversion system including a power conversion circuit according to a second embodiment of the present invention.
  • the power conversion system of FIG. 2 includes a power supply (DC power supply) 1, a reactor 4, a switching element 5, a freewheel diode 6, a commutation diode 7, and an output capacitor 8.
  • the reactor 4, the switching element 5, the freewheel diode 6, the commutation diode 7, and the output capacitor 8 constitute the power conversion circuit 10.
  • the reactor 4 is urged during the on period of the switching element 5, the current of the reactor 4 is commutated to the commutation diode 7 during the off period of the switching element 5, and the voltage is output by the sum of the generated voltage and the input voltage of the reactor 4.
  • the operation of charging the capacitor 8 is periodically repeated to generate a voltage higher than the input voltage and supply it to the load 9. Further, it is also preferable to input the measured value measured by using various sensors (not shown) into the control circuit and perform switching control based on the input signal.
  • the power supply 1 is not particularly limited as long as it can supply a DC voltage. Examples of the power source 1 include a distributed power source, a storage battery, a generator, and the like. The power supply 1 may be input by converting a DC voltage or an AC voltage into a DC voltage using a desired conversion circuit, for example.
  • the power conversion circuit 10 in FIG. 2 may further include a transformer.
  • FIG. 3 schematically shows a power conversion system including a power conversion circuit according to a third embodiment of the present invention.
  • the power conversion system of FIG. 3 includes a power supply (DC power supply) 1, a reactor 4, a switching element 5, a freewheel diode 6, a commutation diode 7, and an output capacitor 8.
  • the reactor 4, the switching element 5, the freewheel diode 6, the commutation diode 7, and the output capacitor 8 constitute the power conversion circuit 10.
  • a voltage lower than the input voltage is generated by repeating it periodically and supplied to the load 9. Further, it is also preferable to input the measured value measured by using various sensors (not shown) into the control circuit and perform switching control based on the input signal.
  • the power supply 1 is not particularly limited as long as it can supply a DC voltage. Examples of the power source 1 include a distributed power source, a storage battery, a generator, and the like. The power supply 1 may be input by converting a DC voltage or an AC voltage into a DC voltage using a desired conversion circuit, for example.
  • the power conversion circuit 10 in FIG. 3 may further include a transformer.
  • FIG. 4 shows an example of a gallium oxide-based Schottky barrier diode (SBD) according to an embodiment of the present invention.
  • the SBD of FIG. 4 includes an n-type semiconductor layer 101a, an n + type semiconductor layer 101b, a Schottky electrode 105a, and an ohmic electrode 105b.
  • the carrier concentration of the n-type semiconductor layer 101a is 2.0 ⁇ 10 17 / cm 3 or less, the effect of reducing radiation noise can be more satisfactorily exhibited. It is preferable because the heat generation of the entire circuit can be further reduced.
  • the carrier concentration of the n + type semiconductor layer is not particularly limited, but is usually in the range of 1 ⁇ 10 18 / cm 3 to 1 ⁇ 10 21 / cm 3 .
  • the thickness of the n + type semiconductor layer is also not particularly limited, but in the embodiment of the present invention, it is preferably 0.1 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and 0.1 ⁇ m to 0.1 ⁇ m. Most preferably, it is 4 ⁇ m.
  • FIG. 13 shows a main part of a Schottky barrier diode (SBD), which is one of the preferred embodiments of the present invention.
  • the SBD of FIG. 13 includes an ohmic electrode 202, an n-type semiconductor layer 201a, an n + type semiconductor layer 201b, Schottky electrodes 203a and 203b, and an insulator film (field insulating film) 204.
  • the insulator film 204 has a taper angle of 10 ° in which the film thickness decreases toward the inside of the semiconductor device.
  • FIG. 13 shows a case where the taper angle of the insulator film 204 is 10 °, but the taper angle is not limited to 10 ° and may be larger than 10 ° or more than 10 °.
  • the taper angle of the insulator film 204 is preferably 20 ° or less.
  • the insulator film 204 is formed on the n-type semiconductor layer 101a and has an opening.
  • the insulator film 204 improves the crystal defects at the ends, forms the depletion layer better, the electric field relaxation is further improved, and the leakage current is suppressed better. Can be done.
  • the outer end portion of the metal layer 203b and / or the metal layer 203c as the first electrode layer is located outside the outer end portion of the metal layer 203a as the second electrode layer. Therefore, the leakage current can be suppressed more satisfactorily.
  • the portion of the metal layer 203a protruding outward from the outer end portion of the metal layer 203a has a tapered region in which the film thickness decreases toward the outside of the semiconductor device. Therefore, it has a structure with better pressure resistance.
  • the n-type semiconductor layer has a guard ring (not shown).
  • the guard ring can be provided, for example, by ion-implanting a p-type dopant (for example, Mg or the like) into the n-type semiconductor layer.
  • the means for forming each layer in FIG. 13 is not particularly limited and may be a known means as long as the object of the present invention is not impaired.
  • a means for forming a film by a vacuum vapor deposition method, a CVD method, a sputtering method, various coating techniques, and then patterning by a photolithography method, or a means for directly patterning using a printing technique or the like can be mentioned.
  • a power factor improvement circuit (PFC circuit) equivalent to the power conversion circuit shown in FIG. 1 was manufactured and evaluated.
  • a SiC MOFET was used as the switching element.
  • Example 1 to produce a power factor correction circuit using ⁇ -Ga 2 O 3 based Schottky barrier diode commutation diode.
  • SBD As the ⁇ -Ga 2 O 3 based Schottky barrier diode was used SBD having the configuration shown in FIG. 13.
  • Comparative Example 1 a Si-based diode was used for the commutation diode, and as Comparative Example 2, a SiC-based diode was used for the commutation diode to fabricate a power factor improvement circuit.
  • Example 1 and Comparative Example 1 The PFC operation waveforms in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. As is clear from FIG. 5, in the power conversion circuit of Comparative Example 1, the recovery current waveform is observed in the PFC operation waveform, but in the power conversion circuit of Example 1, the recovery current waveform is observed in the PFC operation waveform. However, it can be seen that the noise as a PFC circuit is reduced and the controllability is superior. Further, the diode turn-off waveforms of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are shown in FIGS. 6, 7 and 8, respectively. As is clear from FIGS. 6, 7 and 8, the power conversion circuit of Example 1 has a significantly reduced total energy of radiation noise as compared with the power conversion circuits of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. You can see that.
  • the power change circuit using the gallium oxide-based Schottky barrier diode as the commutation diode is superior in noise characteristics to the power conversion circuit using the Si-based diode or the SiC-based diode as the commutation diode. It turns out that.
  • the switching frequency of Example 1 was about 120 kHz, and it was confirmed that noise was reduced even in such high frequency operation. Further, since the power conversion circuit of the first embodiment also suppresses heat generation by reducing the total energy of radiation noise, the power factor improving circuit is used even when a gallium oxide semiconductor having a low thermal conductivity is used. Can operate well in. Further, as is clear from FIGS.
  • the switching loss of the SiC MOSFET as the switching element can also be reduced.
  • the concentration of the n-type semiconductor layer is 2.0 ⁇ 10 17 / cm 3 or less and the thickness of the n-type semiconductor layer is within the range of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m. It was confirmed that particularly good switching characteristics can be obtained.
  • the electrode area at the shotkey interface is in the range of 0.8 mm 2 to 1.0 mm 2
  • the concentration of the n-type semiconductor layer is 1.0 ⁇ 10 16 / cm 3 to 5.0 ⁇ 10 16 / cm 3 . It was confirmed that even better switching characteristics can be obtained when the thickness of the n-type semiconductor layer is within the range of 2 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • FIG. 9 is a block configuration diagram showing an example of a control system to which the power conversion device circuit according to the embodiment of the present invention can be applied
  • FIG. 10 is a circuit diagram of the control system, particularly for an electric vehicle. It is a control system suitable for mounting.
  • the control system 500 includes a battery (power supply) 501, a boost converter 502, a step-down converter 503, an inverter 504, a motor (drive target) 505, and a drive control unit 506, which are mounted on an electric vehicle. It becomes.
  • the battery 501 is composed of a storage battery such as a nickel hydrogen battery or a lithium ion battery, and stores electric power by charging at a power supply station or regenerating energy during deceleration, and is required for the operation of the traveling system and the electrical system of an electric vehicle. It can output a DC voltage.
  • the boost converter 502 is a voltage converter equipped with, for example, a chopper circuit, and boosts a DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, 650 V by the switching operation of the chopper circuit, and outputs the DC voltage to a traveling system such as a motor. be able to.
  • the step-down converter 503 is also a voltage converter equipped with a chopper circuit, but by stepping down the DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, about 12 V, a power window, power steering, or an in-vehicle electric device can be used. It can be output to the electrical system including.
  • the inverter 504 converts the DC voltage supplied from the boost converter 502 into a three-phase AC voltage by a switching operation and outputs it to the motor 505.
  • the motor 505 is a three-phase AC motor constituting the traveling system of the electric vehicle, and is rotationally driven by the three-phase AC voltage output from the inverter 504. Communicate to.
  • the drive control unit 506 has the function of a controller equipped with a calculation unit such as a CPU (Central Processing Unit) and a data storage unit such as a memory, and generates a control signal using the input measurement signal to the inverter 504. By outputting as a feedback signal, the switching operation by the switching element is controlled.
  • a calculation unit such as a CPU (Central Processing Unit)
  • a data storage unit such as a memory
  • the AC voltage applied to the motor 505 by the inverter 504 is instantaneously corrected, so that the operation control of the electric vehicle can be accurately executed, and the safe and comfortable operation of the electric vehicle is realized. It is also possible to control the output voltage to the inverter 504 by giving the feedback signal from the drive control unit 506 to the boost converter 502.
  • FIG. 10 is a circuit configuration excluding the step-down converter 503 in FIG. 9, that is, a circuit configuration showing only a configuration for driving the motor 505.
  • the semiconductor device of the present invention is used for switching control by being adopted in a boost converter 502 and an inverter 504, for example, as a Schottky barrier diode.
  • the boost converter 502 is incorporated in a chopper circuit to perform chopper control
  • the inverter 504 is incorporated in a switching circuit including an IGBT to perform switching control.
  • An inductor (coil, etc.) is interposed in the output of the battery 501 to stabilize the current, and a capacitor (electrolytic capacitor, etc.) is interposed between the battery 501, the boost converter 502, and the inverter 504. We are trying to stabilize the voltage.
  • a calculation unit 507 composed of a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit 508 composed of a non-volatile memory are provided in the drive control unit 506.
  • the signal input to the drive control unit 506 is given to the calculation unit 507, and a feedback signal for each semiconductor element is generated by performing necessary calculations.
  • the storage unit 508 temporarily holds the calculation result by the calculation unit 507, stores physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and appropriately outputs them to the calculation unit 507.
  • a known configuration can be adopted for the calculation unit 507 and the storage unit 508, and the processing capacity thereof and the like can be arbitrarily selected.
  • a diode, a switching element such as a thyristor, a power transistor, an IGBT, a MOSFET, or the like is used for the switching operation of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504. .
  • gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum type gallium oxide ( ⁇ -Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor devices the switching characteristics are significantly improved. Further, by applying the power conversion circuit or the like according to the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 500 can be realized.
  • each of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504 can be expected to have the effect of the present invention, and any one of them, any combination of two or more, or a drive control unit 506 is also included.
  • the effect of the present invention can be expected in any of the above.
  • the control system 500 described above can be applied not only to the control system of an electric vehicle by applying the semiconductor device of the present invention, but also to a control system for all purposes such as stepping up / down the power from a DC power source and converting power from DC to AC. It is possible to apply to. It is also possible to use a power source such as a solar cell as the battery.
  • FIG. 11 is a block configuration diagram showing another example of a control system to which the power conversion circuit according to the embodiment of the present invention can be applied
  • FIG. 12 is a circuit diagram of the control system, which operates with electric power from an AC power source. It is a control system suitable for installation in infrastructure equipment and home appliances.
  • the control system 600 inputs electric power supplied from an external, for example, a three-phase AC power supply (power supply) 601 and includes an AC / DC converter 602, an inverter 604, and a motor (drive target) 605. It has a drive control unit 606, which can be mounted on various devices (described later).
  • the three-phase AC power supply 601 is, for example, a power generation facility of an electric power company (thermal power plant, hydropower plant, geothermal power plant, nuclear power plant, etc.), and its output is supplied as an AC voltage while being stepped down via a substation. To. Further, it is installed in a building or a nearby facility in the form of a private power generator or the like and is supplied by a power cable.
  • the AC / DC converter 602 is a voltage conversion device that converts an AC voltage into a DC voltage, and converts an AC voltage of 100V or 200V supplied from the three-phase AC power supply 601 into a predetermined DC voltage. Specifically, it is converted into a commonly used desired DC voltage such as 3.3V, 5V, or 12V by voltage conversion. When the drive target is a motor, conversion to 12V is performed. It is also possible to adopt a single-phase AC power supply instead of the three-phase AC power supply, and in that case, if the AC / DC converter has a single-phase input, the same system configuration can be obtained.
  • the inverter 604 converts the DC voltage supplied from the AC / DC converter 602 into a three-phase AC voltage by a switching operation and outputs it to the motor 605.
  • the form of the motor 604 differs depending on the control target, but when the control target is a train, it drives a wheel, when it is a factory facility, it drives a pump or various power sources, and when it is a home appliance, it drives a compressor or the like. It is a three-phase AC motor, which is rotationally driven by a three-phase AC voltage output from the inverter 604, and transmits the rotational driving force to a drive target (not shown).
  • the inverter 604 is no longer required for the control system 600, and as shown in FIG. 11, a DC voltage is supplied from the AC / DC converter 602 to the drive target.
  • a DC voltage of 3.3 V is supplied to a personal computer or the like, and a DC voltage of 5 V is supplied to an LED lighting device or the like.
  • the drive control unit 606 uses various sensors (not shown), measured values such as the rotation speed and torque of the drive target, the temperature and flow rate of the surrounding environment of the drive target, etc. to measure these measurement signals, and these measurement signals are input to the drive control unit 606. At the same time, the output voltage value of the inverter 604 is also input to the drive control unit 606. Based on these measurement signals, the drive control unit 606 gives a feedback signal to the inverter 604 and controls the switching operation by the switching element. As a result, the AC voltage applied to the motor 605 by the inverter 604 is instantaneously corrected, so that the operation control of the drive target can be accurately executed, and the stable operation of the drive target is realized. Further, as described above, when the drive target can be driven by a DC voltage, it is also possible to perform feedback control of the AC / DC converter 602 instead of the feedback to the inverter.
  • FIG. 12 shows the circuit configuration of FIG.
  • the semiconductor device of the present invention is used for switching control by being adopted in an AC / DC converter 602 and an inverter 604, for example, as a Schottky barrier diode.
  • an AC / DC converter 602 for example, a Schottky barrier diode having a circuit configuration in a bridge shape is used, and DC conversion is performed by converting and rectifying the negative voltage component of the input voltage to a positive voltage.
  • the inverter 604 is incorporated in the switching circuit of the IGBT to perform switching control.
  • An inductor (coil, etc.) is interposed between the three-phase AC power supply 601 and the AC / DC converter 602 to stabilize the current, and a capacitor (electrolytic capacitor) is placed between the AC / DC converter 602 and the inverter 604. Etc.) are intervened to stabilize the voltage.
  • a calculation unit 607 composed of a CPU and a storage unit 608 composed of a non-volatile memory are provided in the drive control unit 606.
  • the signal input to the drive control unit 606 is given to the calculation unit 607, and a feedback signal for each semiconductor element is generated by performing necessary calculations.
  • the storage unit 608 temporarily holds the calculation result by the calculation unit 607, stores physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and appropriately outputs them to the calculation unit 607.
  • a known configuration can be adopted for the calculation unit 607 and the storage unit 608, and the processing capacity thereof and the like can be arbitrarily selected.
  • the rectifying operation and switching operation of the AC / DC converter 602 and the inverter 604 are performed by a diode, a thyristor which is a switching element, and a power transistor.
  • a diode a thyristor which is a switching element
  • a power transistor a power transistor.
  • IGBT, MOSFET and the like are used.
  • gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum type gallium oxide ( ⁇ -Ga 2 O 3 ) as the material for these semiconductor devices, the switching characteristics are improved. Further, by applying the power conversion circuit according to the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 600 can be realized.
  • each of the AC / DC converter 602 and the inverter 604 can be expected to have the effect of the present invention, and the effect of the present invention can be expected in any one or combination of these, or in any form including the drive control unit 606. Can be expected.
  • the motor 605 is illustrated as a drive target in FIGS. 11 and 12, the drive target is not necessarily limited to those that operate mechanically, and many devices that require an AC voltage can be targeted.
  • the control system 600 it can be applied as long as the drive target is driven by inputting power from an AC power source, and it can be applied to infrastructure equipment (for example, power equipment such as buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment). It can be installed for drive control of equipment such as equipment, system equipment, labor-saving equipment, trains, and home appliances (for example, refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.). can.

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Abstract

放射ノイズの低減された電力変換回路を提供する。　電力変換回路は、入力される電圧をリアクトル（４）を介して開閉するスイッチング素子（５）と、前記スイッチング素子（５）のオフ時に前記リアクトル（４）から発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオード（７）とを少なくとも備え、前記転流ダイオード（７）は、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを含む。

Description

電力変換回路および電力変換システム
　本発明は電力変換回路および電力変換システムに関する。
　高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を用いた半導体装置が注目されており、インバータやコンバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。しかも、広いバンドギャップからＬＥＤやセンサー等の受発光装置としての応用も期待されている。当該酸化ガリウムは非特許文献１によると、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、ＩｎＡｌＧａＯ系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでＩｎＡｌＧａＯ系半導体とはＩｎＸＡｌＹＧａＺＯ３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５～２．５）を示し、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。
　特許文献１には、ショットキーダイオードとトランジスタとを含んで構成されるスイッチング回路のフリーホイールダイオードとして、β―Ｇａ２Ｏ３系半導体を含むショットキーダイオードを用いることが記載されている。しかしながら、実際にスイッチング回路に組み込んだ場合の課題等については十分に検討がされていなかった。また、酸化ガリウム基板の熱伝導率が低い等の課題があり、工業的に用いることができるようなものではなかった。
　また、特許文献２には、交流―直流変換装置のスイッチング部におけるダイオードまたはスイッチング素子の一部または全部に、ワイドバンドギャップ半導体素子（炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウムまたはダイアモンドをのうち何れか一種類もしくは組み合わせ）を用いることが記載されている。しかしながら、それぞれの半導体素子ごとの課題については検討されておらず、また、放射ノイズにおいても十分に満足できるようなものではなかった。また、特に酸化ガリウムを用いた場合には回路全体の発熱の問題もあった。
　そのため、放射ノイズや発熱が抑制された電力変換回路が待ち望まれていた。
特開２０１０－２３３４０６号公報 特開２０１６－２７７７９号公報
金子健太郎、「コランダム構造酸化ガリウム系混晶薄膜の成長と物性」、京都大学博士論文、平成２５年３月
　本発明は、放射ノイズが抑制された電力変換回路を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、入力される電圧をリアクトルを介して開閉するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオードとを少なくとも備え、前記転流ダイオードが、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを含む電力変換回路が、転流ダイオードとしてＳｉ系ダイオードやＳｉＣ系ダイオードを用いたものと比較して、放射ノイズが低減されたものとなることを知見し、このような電力変換回路が、上記した従来の問題を一挙に解決できるものであることを見出した。
　すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］　入力される電圧をリアクトルを介して開閉するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオードとを少なくとも備え、前記転流ダイオードが、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを含むことを特徴とする電力変換回路。
［２］　前記リアクトルが、前記ダイオードよりも入力側に配置されている前記［１］記載の電力変換回路。
［３］　さらに出力コンデンサを備えており、前記電流が前記出力コンデンサに供給されるように構成されている前記［１］または［２］に記載の電力変換回路。
［４］　前記スイッチング素子が、フリーホイールダイオードを備える前記［１］～［３］のいずれかに記載の電力変換回路。
［５］　前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系ＭＯＳＦＥＴ、酸化ガリウム系ＩＧＢＴ、窒化ガリウム系ＨＥＭＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ系ＩＧＢＴを含む前記［１］～［４］記載の電力変換回路。
［６］　前記スイッチング素子と前記転流ダイオードとが、それぞれ異なる半導体を用いている前記［１］～［５］のいずれかに記載の電力変換回路。
［７］　前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードに用いられている半導体のバンドギャップが、前記スイッチング素子に用いられている半導体のバンドギャップよりも大きい前記［１］～［６］のいずれかに記載の電力変換回路。
［８］　前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが、ｎ－型半導体層を少なくとも含み、前記ｎ－型半導体層のキャリア濃度が、２．０×１０１７／ｃｍ３以下である前記［１］～［７］のいずれかに記載の電力変換回路。
［９］　前記ｎ－型半導体層の厚さが、１μｍ～１０μｍである前記［８］記載の電力変換回路。
［１０］　昇圧コンバータ回路である前記［１］～［９］のいずれかに記載の電力変換回路。
［１１］　電源から供給される入力電圧をリアクトルを介して開閉するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオードと、出力コンデンサとを少なくとも備え、前記転流ダイオードとして、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが用いられていることを特徴とする電力変換システム。
［１２］　前記リアクトルが、前記ダイオードよりも入力側に配置されている前記［１１］記載の電力変換システム。
［１３］　前記スイッチング素子が、フリーホイールダイオードを備える前記［１１］または［１２］に記載の電力変換システム。
［１４］　前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系ＭＯＳＦＥＴ、酸化ガリウム系ＩＧＢＴ、窒化ガリウム系ＨＥＭＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ系ＩＧＢＴを含む前記［１１］～［１３］記載の電力変換システム。
［１５］　前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが、ｎ－型半導体層を少なくとも含み、ｎ－型半導体層のキャリア濃度が、２．０×１０１７／ｃｍ３以下である前記［１１］～［１４］のいずれかに記載の電力変換システム。
　本発明の電力変換回路は、放射ノイズが低減されている。
本発明の第１の実施態様に係る電力変換システムを模式的に示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムを模式的に示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換システムを模式的に示す回路図である。 本発明の実施態様に係るショットキーバリアダイオードの好適な一例を模式的に示す図である。 実施例および比較例におけるＰＦＣ動作波形を示す図である。 実施例におけるダイオードターンオフ波形を示す図である。 比較例におけるダイオードターンオフ波形を示す図である。 比較例におけるダイオードターンオフ波形を示す図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施態様にかかる半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 本発明の実施態様に係るショットキーバリアダイオードの好適な一例を模式的に示す図である。
　本発明の電力変換回路は、入力電源から入力される電圧をリアクトルを介して開閉するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン期間における付勢により前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオードをとを少なくとも備え、前記転流ダイオードが、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを含むことを特長とする。本発明の実施態様においては、前記転流ダイオードが、前記リアクトルよりも出力側に配置されているのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記電力変換回路が、さらにコンデンサを備えており、前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を前記転流ダイオードを介してコンデンサに供給するの構成を有するのが好ましい。また、前記電力変換回路は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、コンバータ回路であるのが好ましく、昇圧コンバータ回路であるのがより好ましい。
　前記スイッチング素子は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、ＭＯＳＦＥＴであってもよいし、ＩＧＢＴであってもよい。前記スイッチング素子としては、例えば、酸化ガリウム系ＭＯＳＦＥＴ、酸化ガリウム系ＩＧＢＴ、窒化ガリウム系ＨＥＭＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ系ＩＧＢＴ、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉ系ＩＧＢＴ等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系ＭＯＳＦＥＴ、酸化ガリウム系ＩＧＢＴ、窒化ガリウム系ＨＥＭＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ系ＩＧＢＴであるのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記スイッチング素子が、フリーホイールダイオードを備えるのが好ましい。前記フリーホイールダイオードは、スイッチング素子に内蔵されていてもよいし、外付けされていてもよい。
　前記転流ダイオードは、前記スイッチング素子のオン期間における付勢により前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させるものであれば、特に限定されない。本発明の実施態様においては、前記電力変換回路が、さらに、出力コンデンサ（平滑コンデンサ）を備えており、前記電流が前記出力コンデンサに供給されるように構成されているのが好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記出力コンデンサにたまった電荷が逆流するのを防ぐように前記転流ダイオードが配置されているのが、ノイズ対策をより良好に行うことができるので、好ましい。前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードは、酸化ガリウム系半導体を用いているものであれば、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記酸化ガリウム系半導体としては、例えば、酸化ガリウムまたは酸化ガリウムの混晶を含む半導体等が挙げられる。また、本発明の実施態様においては、前記酸化ガリウム系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（ＪＢＳ）であるのも好ましい。前記酸化ガリウム系半導体の結晶構造も、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記酸化ガリウム系半導体の結晶構造としては、例えば、コランダム構造、β―ガリア構造、六方晶構造（例えば、ε型構造等）、直方晶構造（例えばκ型構造等）、立方晶構造、または正方晶構造等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記酸化ガリウム系半導体の結晶構造が、コランダム構造であるのが、よりスイッチング特性に優れた電力変換回路を得ることができるので、好ましい。
　本発明の実施態様においては、前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが、ｎ－型半導体層を少なくとも含み、前記ｎ－型半導体層のキャリア濃度が、２．０×１０１７／ｃｍ３以下であるのが、放射ノイズの低減効果をより良好に発揮することができ、回路全体の発熱をより低減することができるので、好ましい。前記ｎ－型半導体層のキャリア濃度は、好ましくは、１．０×１０１６／ｃｍ３～５．０×１０１６／ｃｍ３の範囲内である。また、前記ｎ－型半導体層の厚さは、特に限定されないが、１μｍ～３０μｍであるのが好ましく、１μｍ～１０μｍであるのがより好ましく、２μｍ～５μｍであるのが最も好ましい。ｎ－型半導体層のキャリア濃度および厚さを上記のような好ましい範囲とすることにより、放熱性を確保しつつスイッチング特性をより向上させることができる。また、本発明の実施態様においては、前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードがさらにｎ＋型半導体層を備えているのも好ましい。前記ｎ＋型半導体層のキャリア濃度は、特に限定されないが、通常、１×１０１８／ｃｍ３～１×１０２１／ｃｍ３の範囲内である。また、前記ｎ＋型半導体層の厚さも特に限定されないが、本発明の実施態様においては、０．１μｍ～３０μｍであるのが好ましく、０．１μｍ～１０μｍであるのがより好ましく、０．１μｍ～４μｍであるのが最も好ましい。前記ｎ＋型半導体層の厚さをこのような好ましい厚さとすることにより、スイッチング特性を維持しつつ熱抵抗をより低減させることができる。
　また、本発明の実施態様においては、前記スイッチング素子と前記転流ダイオードとが、それぞれ異なる半導体を用いているのが好ましく、前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードに用いられている半導体のバンドギャップが、前記スイッチング素子に用いられている半導体のバンドギャップよりも大きいのがより好ましい。このような好ましい構成とすることにより、前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードよりもバンドギャップの小さい半導体を前記スイッチング素子に用いた場合であっても、前記スイッチング素子の性能をより良好に発揮することができる。
　前記電力変換回路のスイッチング周波数は、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、１００ｋＨｚ以上であるのが好ましく、３００ｋＨｚ以上であるのがより好ましく、５００ｋＨｚ以上であるのがより好ましい。前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを転流ダイオードとして用いることにより、スイッチング周波数がこのような高周波であっても、放射ノイズが低減された電力変換回路を実現することができる。
　以下、本発明の実施形態に係る電力変換回路および電力変換システムについて、図面を参照しながらより詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換回路を含む電力変換システムを模式的に示している。図１の電力変換システムは、力率改善システムであり、交流電源１、ダイオードブリッジ２、入力コンデンサ３、リアクトル４、スイッチング素子５、フリーホイールダイオード６、転流ダイオード７、出力コンデンサ８および負荷９を備えている。なお、リアクトル４、スイッチング素子、フリーホイールダイオード６、転流ダイオード７、および出力コンデンサ８が、力率改善回路として、電力変換回路１０を構成している。前記ダイオードブリッジ２と前記入力コンデンサ３とで全波整流回路を構成し、交流電源１から入力された電圧を整流する。スイッチング素子５のオン期間にリアクトル４を付勢し、スイッチング素子５のオフ期間にリアクトル４の電流を転流ダイオード７に転流させ、リアクトル４の発生電圧と入力電圧との和の電圧によって出力コンデンサ８を充電させるという動作を周期的に繰り返して入力電圧よりも高い電圧を生成する。かかる前記スイッチング素子５のオンオフ動作を制御回路を用いて制御することによって、交流電圧波形と交流電流波形の位相を同相に近づけて、力率を改善し、改善された電圧を負荷９に供給している。また、図示しない各種センサを用いて計測された実測値を制御回路に入力し、かかる入力信号をもとにスイッチング制御を行うのも好ましい。なお、電源１は、交流電圧を供給できるものであれば、特に限定されない。前記電源１としては、例えば、商用電源等が挙げられる。また、前記電源１は、例えば、直流電圧または交流電圧を所望の変換回路を用いて交流電圧に変換して入力するものであってもよい。なお、図１の電力変換回路１０は、さらに、フィルタや変圧器を有していてもよい。
　前記転流ダイオード７は前記スイッチング素子５のオン期間における付勢により前記スイッチング素子５のオフ時に前記リアクトル４から発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させるとともに、前記出力コンデンサ８に充電された電荷が逆流することを防止している。本発明の実施態様においては、前記転流ダイオード７に、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを用いることによって、電力変換回路全体の放射ノイズを低減することができる。また、ノイズの低減によって、電力変換回路全体の発熱を低減することができる。また、電力変換回路全体の放射ノイズの低減により、例えば、図示しないフィルタやコンデンサ等のノイズ対策部品の小型化を実現することができる。
　図２は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換回路を含む電力変換システムを模式的に示している。図２の電力変換システムは、電源（直流電源）１、リアクトル４、スイッチング素子５、フリーホイールダイオード６、転流ダイオード７および出力コンデンサ８を備えている。なお、リアクトル４、スイッチング素子５、フリーホイールダイオード６、転流ダイオード７、および出力コンデンサ８が、電力変換回路１０を構成している。スイッチング素子５のオン期間にリアクトル４を付勢し、スイッチング素子５のオフ期間にリアクトル４の電流を転流ダイオード７に転流させ、リアクトル４の発生電圧と入力電圧との和の電圧によって出力コンデンサ８を充電させるという動作を周期的に繰り返して入力電圧よりも高い電圧を生成し、負荷９に供給している。また、図示しない各種センサを用いて計測された実測値を制御回路に入力し、かかる入力信号をもとにスイッチング制御を行うのも好ましい。なお、電源１は、直流電圧を供給できるものであれば、特に限定されない。前記電源１としては、例えば、分散電源、蓄電池、発電機等が挙げられる。前記電源１は、例えば、直流電圧または交流電圧を所望の変換回路を用いて直流電圧に変換して入力するものであってもよい。なお、図２の電力変換回路１０は、さらに、変圧器を有していてもよい。
　図３は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換回路を含む電力変換システムを模式的に示している。図３の電力変換システムは、電源（直流電源）１、リアクトル４、スイッチング素子５、フリーホイールダイオード６、転流ダイオード７および出力コンデンサ８を備えている。なお、リアクトル４、スイッチング素子５、フリーホイールダイオード６、転流ダイオード７、および出力コンデンサ８が、電力変換回路１０を構成している。スイッチング素子５のオン期間にリアクトル４を付勢し、スイッチング素子５のオフ期間にリアクトル４の電流を転流ダイオード７に転流させ、リアクトル４の発生電圧によって出力コンデンサ８を充電させるという動作を周期的に繰り返して入力電圧よりも低い電圧を生成し、負荷９に供給している。また、図示しない各種センサを用いて計測された実測値を制御回路に入力し、かかる入力信号をもとにスイッチング制御を行うのも好ましい。なお、電源１は、直流電圧を供給できるものであれば、特に限定されない。前記電源１としては、例えば、分散電源、蓄電池、発電機等が挙げられる。前記電源１は、例えば、直流電圧または交流電圧を所望の変換回路を用いて直流電圧に変換して入力するものであってもよい。なお、図３の電力変換回路１０は、さらに、変圧器を有していてもよい。
　図４は、本発明の実施態様に係る酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の一例を示している。図４のＳＢＤは、ｎ－型半導体層１０１ａ、ｎ＋型半導体層１０１ｂ、ショットキー電極１０５ａおよびオーミック電極１０５ｂを備えている。本発明の実施態様においては、前記ｎ－型半導体層１０１ａのキャリア濃度が、２．０×１０１７／ｃｍ３以下であるのが、放射ノイズの低減効果をより良好に発揮することができ、回路全体の発熱をより低減することができるので、好ましい。前記ｎ＋型半導体層のキャリア濃度は、特に限定されないが、通常、１×１０１８／ｃｍ３～１×１０２１／ｃｍ３の範囲内である。また、前記ｎ＋型半導体層の厚さも特に限定されないが、本発明の実施態様においては、０．１μｍ～５０μｍであるのが好ましく、０．１μｍ～１０μｍであるのがより好ましく、０．１μｍ～４μｍであるのが最も好ましい。前記ｎ＋型半導体層の厚さをこのような好ましい厚さとすることにより、スイッチング特性を維持しつつ熱抵抗をより低減させることができる。
　図１３は、本発明の好適な実施態様の一つであるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の主要部を示す。図１３のＳＢＤは、オーミック電極２０２、ｎ－型半導体層２０１ａ、ｎ＋型半導体層２０１ｂ、ショットキー電極２０３ａおよび２０３ｂ、絶縁体膜（フィールド絶縁膜）２０４を備えている。ここで、絶縁体膜２０４は、半導体装置の内側に向かって膜厚が減少する１０°のテーパ角を有している。図１３には、絶縁体膜２０４のテーパ角が１０°の場合を示しているが、前記テーパ角が１０°の場合に限らず、１０°より大きい角度であってもよいし、１０°より小さい角度であってもよい。本発明の実施態様においては、前記絶縁体膜２０４のテーパ角が２０°以下であるのが好ましい。また、絶縁体膜２０４は、ｎ－型半導体層１０１ａ上に形成されており、開口部を有している。図１３の半導体装置は、絶縁体膜２０４により、端部の結晶欠陥が改善され、空乏層がより良好に形成され、電界緩和もさらに一段と良好となり、また、リーク電流をより良好に抑制することができる。図１３の半導体装置は、第１の電極層としての金属層２０３ｂおよび／または金属層２０３ｃの外端部が、第２の電極層としての金属層２０３ａの外端部よりも外側に位置しているので、リーク電流をより良好に抑制することができる。またさらに、金属層２０３ｂおよび／または金属層２０３ｃのうち、金属層２０３ａの外端部よりも外側に張り出した部分が、半導体装置の外側に向かって膜厚が減少するテーパ領域を有しているので、より耐圧性に優れた構成となっている。また、本発明の実施態様においては、前記ｎ－型半導体層が、ガードリング（図示しない）を有しているのも好ましい。前記ガードリングは、例えば、前記ｎ－型半導体層にｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ等）をイオン注入することにより設けることができる。
　図１３の各層の形成手段は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の手段であってよい。例えば、真空蒸着法やＣＶＤ法、スパッタ法、各種コーティング技術により成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングする手段、または印刷技術などを用いて直接パターニングを行う手段などが挙げられる。
　図１に示す電力変換回路と同等の力率改善回路（ＰＦＣ回路）を作製し、評価を行った。なお、スイッチング素子として、ＳｉＣ系ＭＯＦＥＴを用いた。また、実施例１として、転流ダイオードにα－Ｇａ２Ｏ３系ショットキーバリアダイオードを用いた力率改善回路を作製した。なお、α－Ｇａ２Ｏ３系ショットキーバリアダイオードとしては、図１３に示す構成を有するＳＢＤを用いた。比較例１として、転流ダイオードにＳｉ系ダイオードを用いて、比較例２として、転流ダイオードにＳｉＣ系ダイオードを用いて力率改善回路をそれぞれ作製した。実施例１および比較例１におけるＰＦＣ動作波形を図５に示す。図５から明らかなように、比較例１の電力変換回路では、ＰＦＣ動作波形においてリカバリー電流波形が観測されているが、実施例１の電力変換回路では、ＰＦＣ動作波形においてリカバリー電流波形が観測されず、ＰＦＣ回路としてのノイズが低減されており、制御性により優れていることが分かる。また、実施例１、比較例１および比較例２のダイオードターンオフ波形を図６、図７および図８にそれぞれ示す。図６、図７および図８から明らかなように、実施例１の電力変換回路は、比較例１および比較例２の電力変換回路と比較して放射ノイズの総エネルギーが大幅に低減されていることが分かる。すなわち、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを転流ダイオードとして用いた電力変化回路は、Ｓｉ系ダイオードやＳｉＣ系ダイオードを転流ダイオードとして用いた電力変換回路と比較して、ノイズ特性においてより優れたものであることが分かる。なお、実施例１のスイッチング周波数は１２０ｋＨｚ程度であり、このような高周波動作においても、ノイズ低減されることが確認された。また、実施例１の電力変換回路は、放射ノイズの総エネルギー低減によって発熱も抑制されたものとなるため、熱伝導率の低い酸化ガリウム系半導体を用いた場合であっても、力率改善回路において良好に動作を行うことができる。さらに、図６～図８から明らかなように、実施例１の電力変換装置においては、スイッチング素子であるＳｉＣＭＯＳＦＥＴのスイッチング損失も低減できることがわかった。また、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードにおいては、ｎ－型半導体層の濃度を２．０×１０１７／ｃｍ３以下、ｎ－型半導体層の厚みを１μｍ～１０μｍの範囲内とした場合に、特に良好なスイッチング特性が得られることを確認した。また、ショットキー界面の電極面積を０．８ｍｍ２～１．０ｍｍ２の範囲内、ｎ－型半導体層の濃度を１．０×１０１６／ｃｍ３～５．０×１０１６／ｃｍ３の範囲内、ｎ－型半導体層の厚みを２μｍ～５μｍの範囲内とした場合に、さらにより良好なスイッチング特性が得られることを確認した。
　上述した本発明の電力変換回路は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどを含む電力変換装置に適用することができる。図９は、本発明の実施態様に係る電力変換装回路を適用可能な制御システムの一例を示すブロック構成図、図１０は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）への搭載に適した制御システムである。
　図９に示すように、制御システム５００はバッテリー（電源）５０１、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４、モータ（駆動対象）５０５、駆動制御部５０６を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー５０１は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ５０２は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば６５０Ｖに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ５０３も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、例えば１２Ｖ程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。
　インバータ５０４は、昇圧コンバータ５０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ５０５に出力する。モータ５０５は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ５０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。
　一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部５０６に入力される。また同時に、インバータ５０４の出力電圧値も駆動制御部５０６に入力される。駆動制御部５０６はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ５０４にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ５０４がモータ５０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部５０６からのフィードバック信号を昇圧コンバータ５０２に与えることで、インバータ５０４への出力電圧を制御することも可能である。
　図１０は、図９における降圧コンバータ５０３を除いた回路構成、すなわちモータ５０５を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ５０２およびインバータ５０４に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ５０２においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ５０４においてはＩＧＢＴを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー５０１の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー５０１、昇圧コンバータ５０２、インバータ５０４のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。
　また、図１０中に点線で示すように、駆動制御部５０６内にはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）からなる演算部５０７と不揮発性メモリからなる記憶部５０８が設けられている。駆動制御部５０６に入力された信号は演算部５０７に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部５０８は、演算部５０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部５０７に適宜出力する。演算部５０７や記憶部５０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。
　図９や図１０に示されるように、制御システム５００においては、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明に係る電力変換回路等を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム５００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部５０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
　なお、上述の制御システム５００は本発明の半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。
図１１は、本発明の実施態様に係る電力変換回路を適用可能な制御システムの他の例を示すブロック構成図、図１２は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。
　図１１に示すように、制御システム６００は、外部の例えば三相交流電源（電源）６０１から供給される電力を入力するもので、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４、モータ（駆動対象）６０５、駆動制御部６０６を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源６０１は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源６０１から供給される１００Ｖや２００Ｖの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により３．３Ｖや５Ｖ、あるいは１２Ｖといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には１２Ｖへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはＡＣ／ＤＣコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。
　インバータ６０４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ６０５に出力する。モータ６０４は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ６０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。
　なお、例えば家電機器においてはＡＣ／ＤＣコンバータ３０２から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム６００にインバータ６０４は不要となり、図１１中に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには３．３Ｖの直流電圧が、ＬＥＤ照明機器などには５Ｖの直流電圧が供給される。
　一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部６０６に入力される。また同時に、インバータ６０４の出力電圧値も駆動制御部６０６に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部６０６はインバータ６０４にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ６０４がモータ６０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２をフィードバック制御することも可能である。
　図１２は、図１１の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２およびインバータ６０４に採用されることでスイッチング制御に供される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ６０４においてはＩＧＢＴにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、三相交流電源６０１とＡＣ／ＤＣコンバータ６０２との間にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またＡＣ／ＤＣコンバータ６０２とインバータ６０４の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。
　また、図１２中に点線で示すように、駆動制御部６０６内にはＣＰＵからなる演算部６０７と不揮発性メモリからなる記憶部６０８が設けられている。駆動制御部６０６に入力された信号は演算部６０７に与えられ、必要な演算を行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部６０８は、演算部６０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部６０７に適宜出力する。演算部６０７や記憶部６０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。
　このような制御システム６００においても、図９や図１０に示した制御システム５００と同様に、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２やインバータ６０４の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明に係る電力変換回路を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム６００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部６０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
　なお、図１１および図１２では駆動対象としてモータ６０５を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム６００においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。
　なお、本発明に係る複数の実施形態を組み合わせたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用したりすることももちろん可能であり、また、一部の構成要素の数を増減させたり、さらに別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の目的を阻害しない限り、一部を省略する等、変更して構成することも可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。
１　　　　電源
２　　　　ダイオードブリッジ
３　　　　入力コンデンサ
４　　　　リアクトル
５　　　　スイッチング素子
６　　　　フリーホイールダイオード
７　　　　転流ダイオード
８　　　　出力コンデンサ（平滑コンデンサ）
９　　　　負荷
１０　　　電力変換回路
１０１ａ　ｎ－型半導体層
１０１ｂ　ｎ＋型半導体層
１０２　　ｐ型半導体層
１０３　　半絶縁体層
１０４　　絶縁体層
１０５ａ　ショットキー電極
１０５ｂ　オーミック電極
２０１ａ　ｎ－型半導体層
２０１ｂ　ｎ＋型半導体層
２０２　　オーミック電極
２０３　　ショットキー電極
２０３ａ　金属層
２０３ｂ　金属層
２０３ｃ　金属層
２０４　　絶縁体膜
５００　　制御システム
５０１　　バッテリー（電源）
５０２　　昇圧コンバータ
５０３　　降圧コンバータ
５０４　　インバータ
５０５　　モータ（駆動対象）
５０６　　駆動制御部
５０７　　演算部
５０８　　記憶部
６００　　制御システム
６０１　　三相交流電源（電源）
６０２　　ＡＣ／ＤＣコンバータ
６０４　　インバータ
６０５　　モータ（駆動対象）
６０６　　駆動制御部
６０７　　演算部
６０８　　記憶部

 

Claims (15)

  1. 　入力される電圧をリアクトルを介して開閉するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオードとを少なくとも備え、前記転流ダイオードが、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードを含むことを特徴とする電力変換回路。
  2. 　前記リアクトルが、前記ダイオードよりも入力側に配置されている請求項１記載の電力変換回路。
  3. 　さらに出力コンデンサを備えており、前記電流が前記出力コンデンサに供給されるように構成されている請求項１または２に記載の電力変換回路。
  4. 　前記スイッチング素子が、フリーホイールダイオードを備える請求項１～３のいずれかに記載の電力変換回路。
  5. 　前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系ＭＯＳＦＥＴ、酸化ガリウム系ＩＧＢＴ、窒化ガリウム系ＨＥＭＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ系ＩＧＢＴを含む請求項１～４記載の電力変換回路。
  6. 　前記スイッチング素子と前記転流ダイオードとが、それぞれ異なる半導体を用いている請求項１～５のいずれかに記載の電力変換回路。
  7. 　前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードに用いられている半導体のバンドギャップが、前記スイッチング素子に用いられている半導体のバンドギャップよりも大きい請求項１～６のいずれかに記載の電力変換回路。
  8. 　前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが、ｎ－型半導体層を少なくとも含み、前記ｎ－型半導体層のキャリア濃度が、２．０×１０１７／ｃｍ３以下である請求項１～７のいずれかに記載の電力変換回路。
  9. 　前記ｎ－型半導体層の厚さが、１μｍ～１０μｍである請求項８記載の電力変換回路。
  10. 　昇圧コンバータ回路である請求項１～９のいずれかに記載の電力変換回路。
  11. 　電源から供給される入力電圧をリアクトルを介して開閉するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、前記スイッチング素子のオフ時に前記リアクトルから発生する起電力を少なくとも含む電圧によって前記起電力の方向に流れる電流を導通させる転流ダイオードと、出力コンデンサとを少なくとも備え、前記転流ダイオードとして、酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが用いられていることを特徴とする電力変換システム。
  12. 　前記リアクトルが、前記ダイオードよりも入力側に配置されている請求項１１記載の電力変換システム。
  13. 　前記スイッチング素子が、フリーホイールダイオードを備える請求項１１または１２に記載の電力変換システム。
  14. 　前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系ＭＯＳＦＥＴ、酸化ガリウム系ＩＧＢＴ、窒化ガリウム系ＨＥＭＴ、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ系ＩＧＢＴを含む請求項１１～１３記載の電力変換システム。
  15. 　前記酸化ガリウム系ショットキーバリアダイオードが、ｎ－型半導体層を少なくとも含み、ｎ－型半導体層のキャリア濃度が、２．０×１０１７／ｃｍ３以下である請求項１１～１４のいずれかに記載の電力変換システム。

     
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024005152A1 (ja) * 2022-06-29 2024-01-04 株式会社Flosfia 半導体装置および半導体装置の製造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010233406A (ja) 2009-03-27 2010-10-14 Koha Co Ltd スイッチング制御装置及びショットキーダイオード
JP2015228495A (ja) * 2014-05-08 2015-12-17 株式会社Flosfia 結晶性積層構造体、半導体装置
JP2016027779A (ja) 2014-06-24 2016-02-18 富士電機株式会社 交流−直流変換装置
WO2016199497A1 (ja) * 2015-06-11 2016-12-15 富士電機株式会社 電力変換装置
JP2019179815A (ja) * 2018-03-30 2019-10-17 Tdk株式会社 ショットキーバリアダイオード

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010233406A (ja) 2009-03-27 2010-10-14 Koha Co Ltd スイッチング制御装置及びショットキーダイオード
JP2015228495A (ja) * 2014-05-08 2015-12-17 株式会社Flosfia 結晶性積層構造体、半導体装置
JP2016027779A (ja) 2014-06-24 2016-02-18 富士電機株式会社 交流−直流変換装置
WO2016199497A1 (ja) * 2015-06-11 2016-12-15 富士電機株式会社 電力変換装置
JP2019179815A (ja) * 2018-03-30 2019-10-17 Tdk株式会社 ショットキーバリアダイオード

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KENTARO KANEKO: "Dr. Thesis", March 2013, KYOTO UNIVERSITY, article "Growth and Physical Properties of Corundum Structured Gallium Oxide Mixed Crystal Thin Films"

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024005152A1 (ja) * 2022-06-29 2024-01-04 株式会社Flosfia 半導体装置および半導体装置の製造方法

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