パワー・ダイオードの特性

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1 017 年 11 月 6 日 パワー ダイオードの特性 (rev.) 松田順一 群馬大学 1

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 BS (unction 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 (007 年 7 月 0 日 ) 資料から抜粋 参考文献 B. ayant Baliga, undamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Science + Business Media, 008.

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, M, UH/VH など ) 用 VCO 用 可変抵抗 (PiN ダイオード ) AGC(Auto Gain Control) 用 3

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 V (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 V (~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 4

5 DC-DC コンハ ータの基本回路 Vi + Vo Vi + Vo - - 降圧型 昇圧型 Vi - Vo + 昇降圧型 5

6 エネルギー バンド - メタルと半導体 : 分離 - s s m E C s E m E E V メタル半導体 (n 型 ) 6

7 エネルギー バンド - メタルと半導体 : 接触 - ショットキーバリア障壁 bn qvbi m E E C s E W 0 sv qn D bi 空乏層 メタル半導体 (n 型 ) qv bn qv bi W 0 s s E E E E C m s C E V 7

8 順方向電導におけるエネルキ ー ハ ント (a) m E bn (b) (c) (d) qvbi qv E C s E qv (a) が支配的 ユニポーラデバイス E V メタル半導体 (n 型 ) 8

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 AT q bn kt qv kt e A : 実効リチャードソン定数 T : 絶対温度 q bn e A 110 A/cm A 140 A/cm /K /K 1 : バリア高さ V ( N型 Si) ( N型 GaAs) : 電子電荷 k : 印加電圧 : ボルツマン定数 9

10 ショットキー ハ ワー タ イオート のエネルキ ー ハ ント メタル N 型ドリフト領域 N + 基板 コンタクト WD WS エネルギーバンド E C E 等価回路 E V RD RS 10

11 順方向電流 順方向電流特性 AT V B e q kt qv kt bn e B : ショットキー バリアを横切る電圧 順方向全電圧降下 V kt q R S S ln AT S R e q bn S kt : 飽和電流 : 全直列抵抗 ( 単位面積当り ) ドリフト領域 基板 コンタクト抵抗 11

12 飽和電流 S(A/cm ) 1.0E+0 1.0E E E E-0 1.0E E E E E E E-09 飽和電流のハ リア高さ依存性 - ショットキー バリア ダイオードー バリア高さ Φ bn (ev) S は Φ bn と T に強く依存 A=110(A/cm /K ) T=300K T=350K T=400K T=450K 1

13 フ レーク タ ウン電圧の順方向特性への影響 順方向電圧 V(V) ショットキー バリア ダイオードー Φ bn =0.8eV, T=300K N 型ドリフト領域の抵抗増大による SBD は高電圧では一般的に使用不可 E+01 1.E+0 1.E+03 電流密度 (A/cm ) 基板抵抗とコンタクト抵抗無視 ブレーク ダウン電圧 BVpp 50V 100V 150V 00V 300V V (SBD) 0.5V (at BVpp=50V, =100A/cm ) < V (PiN) 0.9V(typ) 13

14 順方向電圧 V(V) 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 T 上昇 S 増大 V 低下 V 温度 T (K) =100A/cm 低フ レークタ ウン電圧の場合 :BVpp( 50V) kt ln q AT bn バリア高さ bn 0.7(eV) 0.8(eV) 0.9(eV) 14

15 イメーシ フォースによるショットキー ハ リア低下 0 x m 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 E E C m E s E b qem 4 s, E m qn s D V R V bi 15

16 リーク電流密度 (A/cm ) 6.0E E E E-06.0E E E+00 リーク電流特性 - ショットキー バリア ダイオードー R1 ( VR ) AT e q kt bn 逆方向電圧 V R (V) b 飽和電流 インハ クト イオン化 Φ bn 低下 リーク電流 Φ bn 低下 ( 支配的 ) 空間電荷発生と拡散成分 ( 無視 ) S(A/cm) R1(A/cm) R(A/cm) S: 飽和電流 R1: バリア低下考慮 R: バリア低下 + アバランシェ倍増考慮 16

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 リーク電流密度 R (ma/cm ) 温度 T (K) 熱暴走 ( 正帰還 ) パワー消散増大 温度増大リーク電流増大 バリア高さ R: バリア低下 + アバランシェ倍増考慮逆方向電圧 :10(V) 0.6(eV) 0.7(eV) 0.8(eV) 0.9(eV) 17 bn

18 順方向電圧と逆方向リーク電流のトレート オフ 逆方向リーク電流密度 R (A/cm ) 1.E-01 1.E-0 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E 順方向電圧 V (V) exp トレードオフはΦ bn 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 ) R qv kt =100(A/cm ) 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 18

19 パワー消失密度 (W/cm) パワー消失と温度との関係 V 低下 - パラメータ : バリア高さー リーク電流増大 =100 (A/cm ) V R =0 (V) デューティ比 :0.5 バリア高さΦ bn 0.6(eV) 0.7(eV) 0.8(eV) 0.9(eV) P D V t T on L V R T t T on 温度 T (K) Φ bn は最低 0.7(eV) 以上必要 19

20 パワー消失密度 (W/cm ) パワー消失と温度との関係 - パラメータ : デューティ比ー 最小値のところの T は D と共に増大 温度 T (K) デューティ比 D=0.1 D=0.5 D=0.5 D=0.75 =100 (A/cm ) V R =0 (V) Φ bn =0.8(eV) 0

21 ショットキー バリア高さ 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) バリア高さ (ev) 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 ) () シリサイド CrSi MoSi PtSi WSi バリア高さ (ev) (1) E. H. Rhoderick and R.H. Williams, Metal-Semiconductor Contacts, pp , nd Edition, Oxford Science, Oxford, () B. ayant Baliga, undamentals of Power Semiconductor Devices, p.194, Springer Science + Business Media,

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 N S 電界 バンド図 bn E m b be 0 a W E m b q s qem 4 N S s N D a E C N x x q s D E W ans 4 a ドーズ量 :10 1 ~10 13 cm - Φ b :0.05~0.0eV の低下 E V

23 エッジ終端構造 メタル オーバーラップ N - ドリフト層 LOCOS N - ドリフト層 P + ガードリング N - ドリフト層 N + 基板 N + 基板 N + 基板 エッジ終端の電界緩和 3

24 高電圧ショットキー ハ リア タ イオート :GaAs - フ レーク タ ウン電圧の順方向特性への影響 - 順方向電圧 V (V) Φ bn =0.8eV, T=300K Baliga s figure of merit R D, SP 4BV E s PP 3 c V : SBD(GaAs) < PiN(Si) at 100~00A/cm, BV pp 500V ブレーク ダウン電圧 BVpp 100(V) 00(V) 300(V) 500(V) 1000(V) 000(V) 電流密度 (A/cm ) 基板抵抗とコンタクト抵抗無視 4

25 高電圧ショットキー ハ リア タ イオート :6H-SiC - フ レーク タ ウン電圧の順方向特性への影響ー 順方向電圧 V(V) Φbn=1.0eV, T=300K V : SBD(SiC) < PiN(Si) at 100~00A/cm, BV pp 1000V ブレーク ダウン電圧 BVpp 00(V) 500(V) 1000(V) 000(V) 5000(V) 電流密度 (A/cm ) 基板抵抗とコンタクト抵抗無視 5

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 6

27 フォワード リカバリー特性 -PiN ダイオード - ダイオード電流 ターンオン di dt I SS t ダイオード電圧 電圧オーバーシュート N( i) 領域の抵抗率と厚さに依存 電流上昇率 > 少数キャリアの拡散 V t 7

28 リバース リカバリー特性 -PiN ダイオード - ダイオード電流 I t A t B ターンオフ di dt t 0.5I RP I RP リバース リカバリー di dt V t ダイオード電圧 P + N 接合面でキャリア ゼロ V RP V R 8

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 qva qnw i D kt e 1 SC 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 P qva qd PP0 N kt e 1 L P P qva qd PP0 N kt e 1 L tanh P W L P N 領域の幅 L P ( 少数キャリア拡散長 ) N 領域の幅 L P ( 少数キャリア拡散長 ) 9

30 低レベル注入の P-N 接合 空乏層 P + N キャリア密度 P N (0) P 0 N L P 電流密度 n P 30

31 順方向電流 ( 高レベル注入 ) 高レベル注入 -PiN ダイオード - 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 d n( x) qnad q dx, d HL HL n: 平均キャリア密度 a ( アノードとカソード端での再結合無視 ) 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 31

32 電位 キャリア密度 PiN ダイオードのキャリアと電位分布 - 高レベル注入 - P + N N + -d 0 +d p n n(-d) n=p n(+d) n op+ n N B p p on+ V a V P+ V m V N+ 3

33 高レベル注入時の電流特性 1 連続の式 dn dt 境界条件 n d n 0 Da HL dx, D: 両極性拡散係数 1 N + 端 (+d): ホール電流 ゼロ 電子電流 全電流 P + 端 (-d) : ホール電流 全電流 電子電流 ゼロ a 1 dn qdn, qd dx xd p dp dx xd 電流 = 拡散電流 + ト リフト電流 高レベル注入 :n=p 33

34 34 高レベル注入時の電流特性 キャリア密度 中間領域 (N 領域 ) の電圧降下 ( 近似 ) HL a a a a a a a HL D L L d L x L d L x ql p n, cosh sinh sinh cosh V m 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 for 8 3, for a L d m a a m L d e q kt V L d L d q kt V a

35 中間領域の電圧降下 V m (V) 高レベル注入時の電圧降下 -PiN ダイオード - 1E+0 1E+01 V m kt q d L a for d L a 1E+00 1E-01 1E-0 V 3kT e 8q 1E m d/l a d L a for d L a 35

36 高レベル注入時の電流 - エント 領域での再結合がない場合 (PiN)- 関数 (d/la) 1.E+00 1.E-01 1.E-0 qdani d d L a d L a e qva kt d La tanh d La tanh d L 1 a e qvm kt 1.E d/l a d/l a 1 の時 が最大 36

37 順方向電圧降下 V a と d/l a の関係 -PiN ダイオード =80A/cm 順方向電圧降下 Va(V) 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 伝導度変調低下 中間領域抵抗の電圧降下増大 Va(V) d/l a 37

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 expqva kt 低い電流密度 ( 低レベル注入 ) 拡散電流 expqva kt 中程度の電流密度 ( 高レベル注入 ) 両極性拡散 (n=p) expqva kt 非常に高い電流密度 エント 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 指数関数からのずれ 38

39 PiN ダイオード逆方向リーク電流 電界 E P + 空間電荷発生電流 SC N(i) 拡散電流 DP 拡散電流 DN L DP SC 空乏層 W DN qdnn L N n i A qwn sc i qd L p p N n i D 39

40 PiN ダイオード リバース リカバリー特性 t0 t1 t 0 ta t rr tb t キャリア密度 n( d) P + 0 t 0 t 0 t 1 b PR N(i) 領域 n x 40

41 リバース リカバリー特性解析 : PR PR の導出 PR qd n qd dn dx n b n b xd,, qd HLDn PR bd PR の低減 中間領域でのτ HL を低下させると PR は低減する n n dn dx n d xd n qd HL n d b n d qrdx, d qn a HL R d n( x) HL 41

42 リバース リカバリー特性解析 :t rr t rr の導出 1 PR t rr t Q rr S qn HL d PR, n HL bd D PR HLD bd n t rr の低減 1 τ HL を低減 に対し PR を増大 4

43 43 リバース リカバリー特性解析 :t B /t A t A の導出 t B と t B /t A の導出 PR HL A HL HL A R A PR d b t qd n d b qbn t Q t, 4 1 ) ( 1 1 4, b d t t d b t t t A B PR HL A rr B ソフト リカバリー t B 領域の di/dt: 小 t B /t A : 大 d: 大 b: 小

44 ファースト リカバリー t rr ライフタイム制御 : 小 : 小 HL PR HL : 大 : 既定 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 ) PR 44

45 ライフタイム比の抵抗率依存性比較 -Au Pt 電子照射 (ER)- ライフタイム比 (τhl/τll) 1.E+0 1.E+01 1.E+00 ER Pt 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+0 1.E+03 抵抗率 (Ωcm) Au Au(ER と比較 ):τ HL /τ LL 大 V : 低 スイッチンク スヒ ート : アッフ Au(T=300K) Au(T=350K) Pt(T=300K) Pt(T=350K) ER(T=300K) ER(T=350K) 45

46 ドーピングプロファイル 従来プロファイル ドーピング N 1 P + 拡散 N + 基板 改良プロファイル N (mid 10 cm 14 3 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 ) 階段接合 リバース リカバリーのスピードアップ 46

47 従来型オーミック コンタクト アノード P + 電子 電子 N 正孔 N N + N + 正孔 カソード 構造 バンド図 47

48 改良オーミック コンタクト -P + と N + のモザイク構造 - アノード P + 電子 P + 電子 N 正孔 N N+ P+ N+ P+ N+ N + カソード 構造 正孔 バンド図 48

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 - アノード P + N N + N + N + カソード 49

50 最大動作温度 PiN ダイオードでの消費電力 P D I V t T on I L V R T t T on 温度が低い場合 上式第一項 > 第二項 (I L 小による ) 温度上昇と共に V 低下 P D 低下 温度が高い場合 上式第一項 < 第二項 (I L 大による ) 温度上昇と共に I L 増加 P D 増加 ( 熱暴走 ) 動作最大温度 PiN タ イオート での消費電力 vs. 温度の関係 最小値 50

51 BS (unction Barrier Controlled Schottky) ダイオード 順方向 P + N 電流通路 P + N アノード P + N P + N オン状態 P + N 接合順方向バイアス無 N + 基板 逆方向 P + N 空乏層端 P + N カソードアノード N + 基板 P + N P + N 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 : アハ ランシェ破壊 ( 熱暴走なし ) Φ bn / V 低減 カソード 51

52 BS ダイオードの電流路 ( 断面 ) s m d s P + P + x j 空乏層端 N W t N + 基板 カソード ストライプ形状 x j の横拡散 85% 5

53 BS の順方向特性 ショットキー バリアの電圧降下 kt m V S B S kt q S s C ln ln B AT q d AT m s C, C: 全 BS電流 / セル面積 d ドリフト領域の電圧降下 x j tm s m s VD ln C m s d d BS の順方向電圧降下 V V S V D 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 V 53

54 54 BS 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 bi j s D P bi P s D s B L V x m qn V V V qn E qe kt q kt q AT s m d 1.7 8, 4 exp exp bi R D s i D i LD V V qn W qnw N n D q, ショットキー バリアに加わる逆電圧は ピンチオフ電圧 (V P ) で抑えられる

55 MPS(Merged PiN/Schottky) ダイオード アノード オン状態 P + N 接合順方向バイアス 伝導度変調 P + P + N 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 (BS と同じ ) N + 基板 カソード 蓄積電荷 : MPS < PiN ダイオード 55

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 PR 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 PR 小 フ ロッキンク シ 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 ( ホ テンシャル ハ 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 56

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 BS( 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 57