パワーエレクトロニクスセミナー

（1）パワーデバイスの用途
パワーデバイスの各用途（アプリケーション）が必要とする定格電流と定格電圧の範囲、及び各パワーデバイスが持つ定格電力と動作周波数の範囲の概要を説明します。

（2）パワーデバイスの種類
パワーデバイスの全種類を分類し、パワーデバイスの全体像が見えるようにします。

（1）半導体とは
半導体の基本であるP型とN型半導体を説明します。

（2）半導体中の電気伝導
半導体中の電気伝導の基本成分について説明します。

（3）バルク抵抗と特性抵抗
パワーデバイスでは、ドリフト領域等の抵抗を見積もることが重要です。その基本である抵抗と抵抗率について説明します。また、パワーデバイス特有の特性オン抵抗についても説明します。

（4）アバランシェブレークダウン電圧
PN接合のアバランシェブレークダウン電圧BVについて説明し、理想特性オン抵抗とBVの関係（パワーデバイスの特性評価に重要な関係）についても触れます。

（5）パワーデバイス終端構造
パワーデバイスの終端では電界集中により耐圧が低下します。それを防ぐ方策（フローティングフィールドリングとフィールドプレート）について説明します。また、ウエハ全体をデバイスとして用いる場合（パワーサイリスタ等）のウエハ端でのベベル構造についても説明します。

（6）ライフタイム
キャリアの再結合はバイポーラデバイス（ダイオードや等）の伝導特性に影響を与えます。そのキャリアの再結合過程について説明し、低レベルと高レベル注入時のライフタイムについて説明します。

（1）ＰＮ接合ダイオード
接合ダイオードの構造、熱平衡状態の基本特性（ビルトイン電位、空乏層幅等）、及び順方向と逆方向にバイアスをかけた場合の電流・電圧の基本特性を説明します。また、空乏層容量と拡散容量についても説明します。拡散容量はPNダイオードのターンオフ期間に影響します。

（2）ショットキーダイオード
ショットキーダイオードの構造、熱平衡状態の基本特性（ショットキー障壁高さ、ビルトイン電位等）、及び順方向と逆方向にバイアスをかけた場合の電流・電圧の基本特性（順方向：熱電子放出、逆方向：鏡像力によるショットキー障壁の低下等）を説明します。また、リーク電流による熱暴走についても説明します。更に、リーク電流を抑制したダイオードについても触れます。

（3）ＰiＮダイオード
ダイオードの構造、高レベル注入時の順方向特性（伝導度変調）、及び逆方向のリーク電流特性について説明します。また、ターンオン期間の電圧の回復特性とターンオフ期間の電流の回復特性についても説明します。更に、PiNダイオードにショットキー構造を取り込んだMPS (Merged PiN/Schottky) ダイオードについても触れます。

（4）パワーMOSFET
パワーMOSFETの種類と構造（横型、縦型プレーナ型、トレンチ型）、電流・電圧特性（しきい値電圧、電流式、特性オン抵抗等）、及びスイッチング特性について説明します。また、低特性オン抵抗で高耐圧を確保できるスーパージャンクションとについても説明します。

（5）IGBT
IGBTの種類と構造（パンチスルー(PT)、ノンパンチスルー(NPT)、フィールドストップ(FS)）、電流・電圧特性（等価回路、耐圧、オン電圧（伝導度変調）等）、スイッチング特性（ターンオフ特性）、及びトレンチゲートIGBTについて説明します。

（6）サイリスタ
サイリスタの種類と構造（パワーサイリスタ、GTO、Triac）、電流・電圧特性（等価回路、耐圧、順方向伝導特性（伝導度変調）等）、及びスイッチング特性について説明します。また、サイリスタのゲートへのトリガ電流によるターンオンとGTOの逆ゲート電流によるターンオフの動作メカニズムについても説明します。（時間の都合上説明を省略しますが、資料はあります。）

（7）ワイドギャップ半導体
ワイドギャップ半導体材料（４H-SiCとGaN）の基本特性、及びその半導体を用いた以下の各デバイス特性を説明します。ショットキーダイオード（4H-SiC, GaN）、JBSダイオード（4H-SiC）、PiNダイオード（4H-SiC）、MPSダイオード（4H-SiC）、パワーMOSFET（4H-SiC）、GaN HEMT

最新のパワーデバイスに関して以下の各デバイスの論文紹介をします。SiのIGBT、4H-SiC のJBSとMPSの各ダイオード、及びパワーMOSFET、そしてGaN HEMT。（時間の都合上説明を省略しますが、資料はあります。）

Siのパワーデバイス用ウエハ（FZ (Floating Zone) ウエハとエピタキシャルウエハ）を紹介し、FS(Field Stop)-IGBTの概要プロセスフローを説明します。また、パワーデバイス特有プロセスとして、スーパージャンクションMOSFET形成方法、及び薄ウエハのハンドリングを可能にするTAIKOプロセスについても説明します。更に、4H-SiCの特有プロセス（Siプロセスと大きく異なる点）についても説明します。

パワーモジュールとしてIGBTモジュールを取り上げ、このモジュールの構成と製造フローの概要について説明します。更にパワーモジュールの高性能化についても説明します。

測定対象のパワーデバイスとしてIGBTを取り上げ、最大定格、動特性、及び静特性の各パラメータを説明します。また、チップテスト（静特性）とモジュールテスト（熱抵抗）の概要を説明します。

パワーデバイスの応用として、AC-DCコンバータ（整流回路）、DC-DCコンバータ、及びDC-ACインバータがあり、これらを説明します。ここでは、特にDC-DCコンバータのスイッチング電源に注目します。このスイッチング電源として、矩形波非絶縁型（昇圧、降圧、昇降圧）、矩形波絶縁型（フルブリッジ、ハーフブリッジ、フォワード、プッシュプル、フライバック）、及び共振型（電流共振、電圧共振、部分共振）があり、これらの電源の動作メカニズムを説明します。

パワーデバイスの故障率（初期故障、偶発故障、摩耗故障）及びパワーデバイス特有の信頼性試験について説明します。また、代表的なパワーデバイスの故障モード（パワーMOSFETの高dV/dt、IGBTのラッチアップと短絡回路）とパワーモジュールの故障モード（パワーサイクルによる温度変化）を説明します。最後に、有効な故障診断装置を紹介します。

群馬大学大学院理工学府電子情報部門客員教授/協力研究員

松田 順一 氏

1979年同志社大学大学院工学研究科電気工学専攻博士前期課程修了。
2005年まで東京三洋電機（後、三洋電機）株式会社、05年から東光株式会社、09年から13年旭化成東光パワーデバイス（後、旭化成パワーデバイス）株式会社に勤務。
02年から現在まで群馬大学で約10年間客員教授。博士（工学）。
メモリなどの微細デバイス、パワーデバイスなどの研究開発及び量産に従事。