Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
パワー・ダイオードの特性(rev.2)
松田順一
群馬大学
2017年11月26日
2
概要• パワー・ダイオードの用途と特徴• ショットキー・バリア・ダイオード
– メタル・半導体コンタクト– 順方向特性– 逆方向特性– トレードオフ・カーブ、パワー消失と温度、バリア低下、エッジ終端構造– 高耐圧ショットキー・バリア・ダイオード
• PiNダイオード– 順方向特性(極低、低、高レベル注入)– 逆方向特性(リバース・リカバリー特性,ライフタイム制御)– ドーピング不純物– オーミック・コンタクト– 最大動作温度
• JBS (Junction Barrier Controlled Schottky) ダイオード• MPS( Merged PiN/Schottky)ダイオード• トレンド
(注)群馬大学アナログ集積回路研究会 第65回講演会(2007年7月20日)資料から抜粋
参考文献 B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices,” Springer Science + Business Media, 2008.
3
ダイオードの種類
• 整流ダイオード– 一般用、高速用、ファースト・リカバリー・ダイオード
• ショットキー・バリア・ダイオード– 整流用、小信号用、高周波用
• ツェナー・ダイオード– ESD保護用、定電圧用
• 可変容量ダイオード– チューナー( AM, FM, UHF/VHFなど)用、VCO用
• 可変抵抗(PiNダイオード)– AGC(Auto Gain Control)用
4
パワー・ダイオードの用途と特徴
• 用途:DC-DCコンバータ、AC-DCコンバータ– 情報、家電、車載等の各種スイッチング電源
• 特徴– ショットキー・バリア・ダイオード
• 低順方向電圧VF(0.5~0.6V)• リーク電流大• ユニポーラ• 逆特性リカバリー:早い
– PiNダイオード• 高順方向電圧VF(~0.9V)• リーク電流小• バイポーラ(伝導度変調により低抵抗化)• 逆特性リカバリー:遅い
5
DC-DCコンバータの基本回路
ViVo
-
+
ViVo
+
-
ViVo
+
-
降圧型 昇圧型
昇降圧型
6
エネルギー・バンド-メタルと半導体:分離-
メタル 半導体(n型)
m
FE
s
FE
VE
CEm
ss
7
エネルギー・バンド-メタルと半導体:接触-
m
FE s
FE
VE
CE
bn biqV
0W
s
FCsm
s
FCbibn EEEEqVqV
ショットキーバリア障壁
空乏層
D
bis
qN
VW
20
メタル 半導体(n型)
8
順方向電導におけるエネルギー・バンド
m
FE
s
FE
VE
CEbnFbi qVqV
メタル 半導体(n型)
FqV
(a)
(b)(c) (d)
(a)が支配的
⇒ユニポーラデバイス
9
電流電圧特性
• ショットキー・バリア界面を横切る電流
– 熱電子放出
印加電圧バリア高さ、
ボルツマン定数、電子電荷、絶対温度、
)型 (
)型 (
数実効リチャードソン定
::
:::
GaAsN/KA/cm140
SiN/KA/cm110
:
1
22
22
2
V
kqT
A
A
A
eeATJ
bn
kTqVkTq bn
10
ショットキー・パワー・ダイオードのエネルギー・バンド
メタル コンタクト
エネルギーバンド
等価回路
DW SW
FE
CE
VE
DR SR
N型ドリフト領域 N+基板
11
順方向電流特性
• 順方向電流
• 順方向全電圧降下
を横切る電圧ショットキー・バリア :
2
FB
kTqVkTq
F
V
eeATJ FBbn
コンタクト抵抗ドリフト領域、基板、
当り)全直列抵抗(単位面積
:飽和電流
:
ln
2
S
kTq
S
FS
S
FF
R
eATJ
JRJ
J
q
kTV
bn
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
バリア高さΦ bn(eV)
飽和
電流
JS(A
/cm
2)
T=300K
T=350K
T=400K
T=450K
12
飽和電流のバリア高さ依存性-ショットキー・バリア・ダイオードー
A=110(A/cm2/K2)
JSはΦbnとTに強く依存
13
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.E+01 1.E+02 1.E+03
電流密度J F(A/cm2)
順方
向電
圧V
F(V
)
50V
100V
150V
200V
300V
ブレーク・ダウン電圧の順方向特性への影響-ショットキー・バリア・ダイオードー
ブレーク・ダウン電圧BVpp
基板抵抗とコンタクト抵抗無視
Φbn=0.8eV, T=300K
VF(SBD)≒0.5V (at BVpp=50V, JF=100A/cm2) < VF(PiN)≒0.9V(typ)
SBDは高電圧では一般的に使用不可
N型ドリフト領域の抵抗増大による
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
300 350 400 450 500
温度T(K)
順方
向電
圧V
F(V
)
0.7(eV)
0.8(eV)
0.9(eV)
14
順方向電圧の温度依存性-ショットキー・バリア・ダイオードー
bnバリア高さ
JF=100A/cm2
低ブレークダウン電圧の場合:BVpp(≒50V)
T上昇 ⇒ JS増大 ⇒ VF低下
2ln
AT
J
q
kTV F
bnF
15
イメージ・フォースによるショットキー・バリア低下
m
FE s
FE
CEE
mx
x
b
bnイメージ・フォースによるポテンシャル・エネルギー
0
biR
s
Dm
s
mb VV
qNE
qE
2,
4
0.0E+00
1.0E-06
2.0E-06
3.0E-06
4.0E-06
5.0E-06
6.0E-06
0 10 20 30 40 50
逆方向電圧V R (V)
リー
ク電
流密
度(A
/cm
2)
JS(A/cm2)
JR1(A/cm2)
JR2(A/cm2)
16
リーク電流特性-ショットキー・バリア・ダイオードー
JS:飽和電流JR1:バリア低下考慮JR2:バリア低下+アバランシェ倍増考慮
kTq
RRbbneATVJ
2
1 )(リーク電流・Φbn低下(支配的)・空間電荷発生
と拡散成分(無視)
Φbn低下
インパクト・イオン化
飽和電流
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500
温度T(K)
リー
ク電
流密
度JR
2(m
A/cm
2)
0.6(eV)
0.7(eV)
0.8(eV)
0.9(eV)
17
リーク電流の温度依存性-ショットキー・バリア・ダイオードー
bnバリア高さ
JR2:バリア低下+アバランシェ倍増考慮逆方向電圧:10(V)
熱暴走(正帰還)パワー消散増大 ⇒ 温度増大
リーク電流増大
18
順方向電圧と逆方向リーク電流のトレードオフ
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
順方向電圧 V F (V)
逆方
向リ
ーク
電流
密度
JR (
A/c
m2)
300(K)
350(K)
400(K)
450(K)
バリア低下無視アバランシェ倍増無視ドリフト領域抵抗無視
JF=100(A/cm2)
kT
qVJJ F
FR exp
トレードオフはΦbn から決定⇒ Siを他の半導体に変えても改善されない。(低耐圧の場合)
0
5
10
15
20
25
30
35
300 350 400 450 500
温度T(K)
パワ
ー消
失密
度(W
/cm
2)
0.6(eV)
0.7(eV)
0.8(eV)
0.9(eV)
19
パワー消失と温度との関係-パラメータ:バリア高さー
JF=100 (A/cm2)VR=20 (V)デューティ比:0.5
バリア高さΦbn
Φbnは最低0.7(eV)以上必要
VF低下 リーク電流増大
T
tTVJ
T
tVJP on
RLon
FFD
0
5
10
15
20
25
30
35
300 350 400 450 500
温度T (K)
パワ
ー消
失密
度(W
/cm
2)
D=0.1
D=0.25
D=0.5
D=0.75
20
パワー消失と温度との関係-パラメータ:デューティ比ー
デューティ比
JF=100 (A/cm2)VR=20 (V)Φbn=0.8(eV)
最小値のところのTはDと共に増大
21
ショットキー・バリア高さ
シリサイド CrSi2 MoSi2 PtSi2 WSi2
バリア高さ(eV) 0.57 0.55 0.78 0.65
シリサイドのショットキー・バリア高さ(n型Si上のシリサイド)(2)
メタルの仕事関数とショットキー・バリア高さ(n型Si上のメタル)(1)
メタル Cr Mo Pt W
仕事関数(eV) 4.5 4.6 5.3 4.6
バリア高さ(eV) 0.57 0.61 0.81 0.61
(1) E. H. Rhoderick and R.H. Williams, “Metal-Semiconductor Contacts,” pp. 48-55, 2nd Edition, Oxford Science, Oxford, 1988.
(2) B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices,” p.194, Springer Science + Business Media, 2008.
22
ショットキーバリアの低下-表面での高ドーピングー
ドーピング密度
電界
バンド図
SN
DN
VE
FECE
x
x
be
0
b
bn
Wa
mE
aWNaNq
E
aNqqE
DS
s
m
S
ss
mb
44
ドーズ量:1012~1013 cm-2
△Φb:0.05~0.20eVの低下
23
N-ドリフト層 N-ドリフト層
N+基板 N+基板 N+基板
N-ドリフト層
エッジ終端構造メタル・オーバーラップ
LOCOS P+ガードリング
エッジ終端の電界緩和
0
1
2
3
4
5
1 10 100 1000 10000
電流密度J F (A/cm2)
順方
向電
圧V
F(V
)
100(V)
200(V)
300(V)
500(V)
1000(V)
2000(V)
24
高電圧ショットキー・バリア・ダイオード:GaAs
-ブレーク・ダウン電圧の順方向特性への影響-
ブレーク・ダウン電圧BVpp
基板抵抗とコンタクト抵抗無視
Φbn=0.8eV, T=300K
3
2
,
4
cs
PPSPD
E
BVR
VF: SBD(GaAs) < PiN(Si)
at 100~200A/cm2, BVpp≦500VBaliga’s figure of merit
0
1
2
3
4
5
1 10 100 1000 10000
電流密度J F(A/cm2)
順方
向電
圧V
F(V
)
200(V)
500(V)
1000(V)
2000(V)
5000(V)
25
高電圧ショットキー・バリア・ダイオード:6H-SiC-ブレーク・ダウン電圧の順方向特性への影響ー
ブレーク・ダウン電圧BVpp
Φbn=1.0eV, T=300K
基板抵抗とコンタクト抵抗無視
VF: SBD(SiC) < PiN(Si)
at 100~200A/cm2, BVpp≦1000V
26
PiNダイオードの特性
• フォワード・リカバリー特性– 電圧オーバーシュート(高di/dtのターンオン時に発生)
• 理由:ターンオン時から定常状態へ向けてN(i)領域の抵抗変化
ターンオン時高抵抗:N(i)領域への不充分な少数キャリア注入
定常時低抵抗:N(i)領域への充分な少数キャリア注入
• リバース・リカバリー特性– 逆電流(ターンオフ時に発生)
• 理由:N(i)領域に蓄積された少数キャリアの除去
– 電圧オーバーシュート• 理由:回路内インダクタンスを流れるリバース・リカバリーdi/dt
• N(i)領域の設計– 必要な逆耐圧を確保後、N(i)領域の抵抗低減
27
フォワード・リカバリー特性-PiNダイオード-
dtdi
ダイオード電圧
ダイオード電流
電圧オーバーシュート⇒N( i)領域の抵抗率と厚さに依存
ターンオン
t
tFV
SSI
電流上昇率 > 少数キャリアの拡散
28
リバース・リカバリー特性-PiNダイオード-
FI
t
RPI
RPV
At
RPI25.0
Bt
RV
ダイオード電圧
ダイオード電流
リバース・リカバリー
dtdi
FVt
ターンオフ
dtdi
P+N接合面でキャリア・ゼロ
29
順方向電流(極低/低レベル注入)-PiNダイオード-
• 極低レベルの注入
– 空乏層内の再結合電流
• 低レベルの注入
– 中性領域へ注入された少数キャリアの再結合電流
– 少数キャリア≪多数キャリア
1
22kT
qV
SC
DiF
a
eWqn
J
10 kT
qV
P
NPP
a
eL
PqDJ
1
tanh
0 kT
qV
PP
NPP
a
eLWL
PqDJ
N領域の幅≫LP(少数キャリア拡散長) N領域の幅≒LP(少数キャリア拡散長)
30
低レベル注入のP-N接合
)0(NP
NP0
PL
PJ
nJ電流密度
キャリア密度
P+ N
空乏層
31
順方向電流(高レベル注入)-PiNダイオード-
• 高レベル注入
– 注入キャリア密度≫ドーピング密度(N型)
– n(x)=p(x):N領域の電荷中性
– N領域の抵抗の大幅な低下 ⇒ 伝導度変調
– N領域、アノードとカソード端での再結合電流
:平均キャリア密度 a
HL
a
d
d HL
ndqn
dxxn
qJ ,2)(
キャリア密度は、電流密度に比例して増大する。⇒ キャリア密度の増大に比例して伝導率も増大する。⇒ N領域の電圧降下は、電流密度に依存しない。
(アノードとカソード端での再結合無視)
32
PiNダイオードのキャリアと電位分布-高レベル注入-
NP+ N+
n=p
np0-d +d
n(-d) n(+d)
n pNBnoP+
poN+
キャ
リア
密度
電位
VP+
VN+
Vm
Va
33
高レベル注入時の電流特性 1
• 連続の式
• 境界条件– ① N+端(+d):ホール電流⇒ゼロ、電子電流⇒ 全電流
– ② P+端(-d) :ホール電流⇒全電流、電子電流⇒ ゼロ
:両極性拡散係数 aa
HL
Ddx
ndD
n
dt
dn,0
2
2
dx
p
dx
ndx
dpqDJ
dx
dnqDJ
2 ,2 ②①
高レベル注入:n=p電流=拡散電流+ドリフト電流
34
高レベル注入時の電流特性 2
• キャリア密度
• 中間領域(N領域)の電圧降下(近似)
HLaa
a
a
a
a
a
HL DLLd
Lx
Ld
Lx
qL
Jpn
,
cosh2
sinh
sinh
cosh
2
Vmは電流密度に依存しない。⇒ キャリア密度は、電流密度に比例して増大するため。
2for 8
3 ,2for
22
a
Ld
m
aa
mL
de
q
kTV
L
d
L
d
q
kTV a
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
0.1 1 10
中間
領域
の電
圧降
下V
m(V
)
d/La
35
高レベル注入時の電圧降下-PiNダイオード-
2for 2
2
aa
mL
d
L
d
q
kTV
2for 8
3
a
Ld
mL
de
q
kTV a
36
高レベル注入時の電流-エンド領域での再結合がない場合(PiN)-
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
0.1 1 10
d/La
関数
F(d/
La)
F
kT
qV
a
aa
a
kT
qV
a
ia
m
a
eLd
LdLd
L
dF
eL
dF
d
nqDJ
2
4
2
tanh25.01
tanh
2
d/La≒1の時Jが最大
37
順方向電圧降下Vaとd/Laの関係-PiNダイオード-
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
0.1 1 10
d/La
順方
向電
圧降
下V
a(V
)
Va(V)
J=280A/cm2
伝導度変調低下⇒中間領域抵抗の
電圧降下増大
高キャリア注入⇒接合電圧降下増大
(端での再結合考慮なし)
端での再結合考慮
38
順方向電流まとめ-PiNダイオード-
• 極端に低い電流密度(極低レベル注入)– 空間電荷発生電流
• 低い電流密度(低レベル注入)– 拡散電流
• 中程度の電流密度(高レベル注入)– 両極性拡散(n=p)
• 非常に高い電流密度– エンド領域での再結合
– キャリア-キャリア散乱による拡散長の減少
kTqVJ aF 2exp
kTqVJ aF exp
kTqVJ aF 2exp
⇒指数関数からのずれ
39
PiNダイオード逆方向リーク電流
空間電荷発生電流 JSC
拡散電流 JDN
N(i)
空乏層 W
電界 E
P+
拡散電流JDP
Dp
ip
sc
i
An
inDNSCDPL
NL
nqDqWn
NL
nqDJJJJ
22
40
PiNダイオード・リバース・リカバリー特性
FJ
キャリア密度
)( dn PRJ
0t 1t 2t
At Bt
rrt
t
b0x
0t
0t
1tP+ N(i)領域
n
0
41
リバース・リカバリー特性解析:JPR
• JPRの導出
• JPRの低減– 中間領域でのτHLを低下させると、 JPRは低減する。
FnHL
PR
HLFnPR
F
n
dxdx
nF
Jbd
DJ
qd
Jn
b
nqDJ
J
ndnqDb
b
ndn
dx
dn
dx
dnqDJ
2,2
2
,2
HL
a
HL
d
d
dqnJ
xnRqRdxJ
2
)(,
42
• trrの導出
リバース・リカバリー特性解析:trr
nPR
FHLrr
FnHL
PRHLFSrrPR
D
bd
J
Jt
Jbd
DJJdqnQtJ
22
,22
1
trrの低減⇒ ① τHLを低減、② JFに対しJPRを増大
43
リバース・リカバリー特性解析:tB/tA
• tAの導出
• tBとtB/tAの導出PR
FHLA
HLFFHLARAPR
J
J
d
bt
qd
Jn
d
JbqbntQtJ
2
2,
42
1)(
2
1
1
4,
22
b
d
t
t
J
J
d
bttt
A
B
PR
FHLArrB
ソフト・リカバリー⇒tB領域のdi/dt:小⇒tB/tA:大⇒d:大、b:小
44
ライフタイム制御• ファースト・リカバリー
• ライフタイム低減の手法 (再結合中心の形成)– 不純物導入:Au拡散、Pt拡散– 注入:高エネルギー電子注入、プロトン注入、He注入
• 順方向電圧降下とリバース・リカバリー時間のトレードオフ改善– 再結合中心の不均一分布導入
• Nベースの中央領域 かつ P-N接合から離れた領域に再結合中心を形成
– プロトンやHeにより、再結合中心分布の狭帯化• Au、Pt拡散係数大(Si中)、電子注入⇒再結合中心の狭い分布は難しい。
• 再結合中心によるリーク電流の発生– 再結合レベル位置がエネルギーギャップの中央近傍:リーク電流大– リーク電流:Pt拡散<電子注入<Au拡散
• フォワード・リカバリー特性– 再結合中心密度増加⇒フォワード・リカバリー特性の悪化(トレードオフの関係)
:既定:大、:小、小 FPRHLPRFHLrr JJJJt :2
45
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03
抵抗率(Ωcm)
ライ
フタ
イム
比(τ
HL/τ
LL)
Au(T=300K)
Au(T=350K)
Pt(T=300K)
Pt(T=350K)
ER(T=300K)
ER(T=350K)
ライフタイム比の抵抗率依存性比較-Au、Pt、電子照射(ER)-
Pt Au
ER
Au(ERと比較):τHL/τLL大 ⇒ VF:低、スイッチング・スピード:アップ
46
ドーピングプロファイル
P+拡散
従来プロファイル
改良プロファイル
N+基板
N1
N2
ドーピング
階段接合 ⇒ リバース・リカバリーのスピードアップ
・空乏層広がりを抑制・伝導度変調あり・蓄積電荷の急峻な除去なし
⇒ソフト・リカバリー
)cm10(mid 314
47
P+
N+
従来型オーミック・コンタクト
カソード
アノード
N電子 正孔
電子
正孔
N N+
構造 バンド図
48
P+
N
N+ P+ N+P+N+
改良オーミック・コンタクト-P+とN+のモザイク構造-
N
P+
N+
電子
正孔
構造 バンド図
電子 正孔
アノード
カソード
49
改良オーミック・コンタクト-ショットキー界面を持つ構造-
カソード
アノード
P+
N
N+ N+N+
50
最大動作温度
• PiNダイオードでの消費電力
• 温度が低い場合– 上式 第一項 > 第二項 (IL小による)
• 温度上昇と共にVF低下 ⇒ PD低下
• 温度が高い場合– 上式 第一項 < 第二項 (IL大による)
• 温度上昇と共にIL増加 ⇒ PD増加(熱暴走)
• 動作最大温度– PiNダイオードでの消費電力 vs. 温度の関係 ⇒ 最小値
T
tTVI
T
tVIP on
RLon
FFD
51
N+基板
N
P+
NNN
P+P+P+
P+P+P+P+
N+基板
N NNN
JBS (Junction Barrier Controlled Schottky) ダイオード
空乏層広がり(ポテンシャルバリア)
↓
ショットキー・バリアをシールド
↓
リーク電流低減耐圧:アバランシェ破壊
(熱暴走なし)↓
Φbn/ VF低減
オン状態↓
P+N接合順方向バイアス無
カソード
アノード
カソード
アノード
順方向
逆方向
電流通路
空乏層端
52
JBSダイオードの電流路(断面)
空乏層端
N+基板
jx
W
m
d2 2s
t
2s
P+ P+
N
カソード
ストライプ形状xjの横拡散85%
53
JBSの順方向特性
• ショットキー・バリアの電圧降下
• ドリフト領域の電圧降下
• JBSの順方向電圧降下
セル面積電流:全 /JBS,
2
2lnln
22
FCFCFS
FCB
FSBFS
JJd
smJ
AT
J
d
sm
q
kT
AT
J
q
kTV
FC
j
FD Jd
sm
dsm
smtxV
2ln
2
FDFSF VVV 狭い接合ウィンドウ幅(s)
⇒ 接合下のデッド・スペース活用 ⇒ 低VF
54
JBS逆方向特性
• ショットキー・バリアによるリーク電流
• 空間電荷発生と拡散によるリーク電流
bij
s
DPbiP
s
D
s
BL
VxmqN
VVVqN
E
qE
kT
q
kT
qAT
sm
dJ
2
2
7.18
,2
4expexp
2
biR
D
si
D
iLD VV
qNW
Wqn
N
nDqJ
2,
2
ショットキー・バリアに加わる逆電圧は、ピンチオフ電圧(VP)で抑えられる。
55
MPS(Merged PiN/Schottky)ダイオード
アノード
カソード
P+ P+
N
N+基板
蓄積電荷: MPS < PiNダイオード
空乏層広がり(ポテンシャルバリア)
↓
ショットキー・バリアをシールド
(JBSと同じ)
オン状態↓
P+N接合順方向バイアス
↓
伝導度変調
56
MPSダイオード特性の特長-リバース特性-
• リバース・リカバリー特性– JPR ⇒ MPS < PiN
• 理由:蓄積電荷:MPS<PiN
• 効果:パワーロス低減、回路内トランジスタへのストレス低減
– di/dt ⇒ MPS < PiN• 理由:① JPR小
② ブロッキング・ジャンクションでの低キャリア密度(MPS)早い逆電圧の立上り ⇒ 多くの残留電荷(MPS)
• 効果:電圧スパイク対策に有効(ソフトリカバリー)
• リバース・ブロッキング特性– 逆耐圧 ⇒ MPS ≒ PiN (ポテンシャル・バリアによる)– 高温リーク電流 ⇒ MPS > PiN(ショットキー領域のため)
• 対策:高いショットキー・バリア高さ(0.8V)の採用
57
パワーダイオードのトレンド
• VLSI用電源電圧の低下に対応
⇒ JBS(低い順方向電圧)
• パワートランジスタの高電圧、高周波化に対応
(高スピード、高電圧(100~600V)ダイオードの要求)
⇒ PiNダイオード
⇒ MPSダイオード(Si技術)
⇒ SiCのショットキーダイオード