成果報告書詳細
管理番号20120000001001
タイトル平成21年度-平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究 冷却フリー・大出力ダイヤモンドパワーデバイスの研究開発
公開日2013/8/28
報告書年度2009 - 2011
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所 独立行政法人物質・材料研究機構 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約ダイヤモンドは将来の省エネ用パワーデバイスとして他材料を凌駕し、高耐圧、低損失、高速動作のデバイスが期待されている。電気自動車・電車など需要の多い中耐圧用途で、自己発熱温度で動作し強制冷却システムを不要とする新しいコンセプトによる画期的「冷却フリー・大出力パワーデバイス」を実現するための先駆け研究を行った。実用高耐圧・大電流デバイス実現のため 1)高耐圧デバイス開発
2)大電流密度デバイス開発 3)デバイス動特性評価の3項目の課題に取組んだ。1)の高耐圧として、特にエッチングを中心とするプロセス開発を行い、Al2O3/SiO2二層絶縁膜によるフィールドプレート(FP)終端緩和を有する縦型ショットキーバリアダイオード(SBD)を開発した。またX線トポ、CL、ラマンなどにより欠陥の同定とデバイスへの影響を調べ、刃状及び複合欠陥による貫通欠陥が致命的であることを突き止めた。またショットキー界面準位が逆方向リーク電流に影響しているなどの重要な知見を得た。以上によりSBDで耐圧2kVを実証した。 2)の大電流密度デバイスとして、パンチスルー縦型構造のSBDで、デバイス目標達成に重要なシリーズ抵抗低減及びドリフト層設計、及び高温環境でのシミュレーションを実施した。ドリフト層キャリア濃度設計を行い6x1016から2x1017cm-3で最適ドーピングになることを得、実際合成中にCO2の導入でオートドープの抑え込みを行いドーピング濃度制御に成功、またp+形成によるオーミック抵抗評価により低損失を実現できる10-5Ωcm2を達成した。上記のデバイス技術を全て動員して厚膜FPを組み込んだ縦型SBDの高温動作を確認した。2kV耐圧素子で250℃環境で1000A/cm2に到達することを確認した。また250℃でもリーク電流が3.2×10-4A/cm2と十分に低く抑えられていることが分かった。3)のデバイス動特性評価として、250℃耐熱を高耐圧動作可能なパッケージ設計を実施し、FeNiCo系のメタルとAl2O3、Cu芯合金AUメッキ導線から成るパッケージの製作を行い、2kV耐圧、400℃/3分耐熱性確保、1A以上の高電流測定(2000A/cm2)が可能であることを確認した。250℃高融点でのはんだ付けを行い動作温度250℃,順方向動作電流0.8Aを実現し、パワーエレ実回路へ適用し、電力変換動作が可能なデバイスであることを示した。またSi-MOSFETを用いて、スイッチング動作をトリガさせるシステムを構築し、ダブルパルス法による評価を行った。順方向電流0.5A,逆方向印加電圧100Vの動作条件において、tf=15nsの高速スイッチング動作を実現した。また多数キャリアで動作するSBDであるが、温度上昇とともに導通抵抗が低下し、順方向電圧降下が25%程低下するという少数キャリアデバイス的な特性により、高温においてもターンオフ時の逆回復電流が増加しないため、高温で利用しやすいデバイスであることを示した。ダイヤモンドは、SiC、GaNに比較して、さらに低損失、高耐圧、高電流密度、高温動作が期待されていて、また誘電率が低いことから端子間容量を低減することが可能であり、スイッチング時間を短く、損失を低減することが期待できる。ダイヤモンドの可能性をダイオードで実証する、挑戦研究フェーズの目的は十二分に果たせたと言える。実用化には低欠陥ウェハ・エピをベースに、100A級のスイッチングデバイス開発、耐熱LC部品・実装関連技術などが必要であり、早期実用化に向けて開発が急がれる。
英文要約Title: Development of Cooling System Free High Power Diamond Power Diode (FY2009-2011) Final
Report
Diamond is receiving much attention due to its extreme properties as low loss power switching devices for CO2 reduction. Application is expected for high voltage, high current systems such as in HEV, EV, train, ship and vessels with “Cooling unit free” module, that can be realized by high temperature operation. In this study, diamond Schottky barrier diode (SBD) was investigated to verify the above advantages for the very first trial in the world.
1) High breakdown voltage operation diode: Vertical structure SBD with the field plate (FP)
structure was successfully fabricated by utilizing sophisticated dry etching technique and dual layer FP insulator consist of ALD Al2O3 and TEOS SiO2. Over 2kV reverse breakdown voltage was achieved for the first time. As the high quality epitaxial layer is of primary importance, we have launched the crystal defect analysis. By the X-ray topography, CL and RAMA, the edge type and mixed type dislocations are found, and these are also found to be crucial for leakage current. Furthermore, by the Schottky-diamond leakage current analysis, interface mid-gap state density presumably induced by fabrication process will affect reverse current behavior. 2) High current density and high temperature operation diode: Theoretical calculation for the on resistance and breakdown voltage is carried out for the punch through type SBD, and is experimentally verified. SBD was developed by using all of the above technologies and finally high current density up to 1000A/cm2 was obtained at 250 ℃ operation. Due to the barrier height controlled Schottky interface, diamond SBD showed very low reverse leakage current of 3.2x10-4A/cm2 at 250 ℃. For the further studies on refractory and high current durable Schottky, newly-proposed WC showed good stability for high current injection of 1000A/cm2 and high temperature stability at 400 ℃. Reproducible forward J-V characteristics at high temperature indicate the deterioration of the SBDs was not due to heating itself.3) Diode dynamic operation: 250C durable package was designed and fabricated using Al2O3 ceramic and FeNiCo meta. The switching response of the SBD was performed on the basis of “double pulse method” with the use of Si MOSFET. It was demonstrated to operate under the 250 ℃, and 0.8A forward conduction current was realized. The results indicate that the diamond device can be applied to the practical level power electronics application and realizes power conversion operation. The switching characteristics were evaluated and quite fast current fall time 15ns was observed. The forward conduction resistance was observed to decrease with temperature rise and results in 25% reduction. Therefore, diamond device is a prospective switching device especially for high temperature operation than the other wide band gap semiconductor devices.
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