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要旨集●Vol.39 No.4（2004年12月発行）
特集： Recent R&D Activities of Power Devices for
Hybrid Electric Vehicles（ハイブリッド自動車用パワーデバイスの研究開発）
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Review
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P.1
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Automobiles have
an influence on the global environment that cannot be
disregarded, not only through air pollution in cities
but also through large carbon dioxide emission that
leads to global warming. A hybrid electric vehicle combining
a gasoline engine and an electric motor has proved to
be an effective means to solve these problems. Electrical
energy flow of the vehicle is controlled with inverters
built into the car. These inverters consist of power
modules that in turn contain many power devices. Therefore,
power devices are one of the key components for the
hybrid electric vehicle. In this paper, we make a survey
of the role of power devices used in the hybrid electric
vehicle and the technological trends they indicate.
In addition, we present our recent R&D activities
concerning power devices.
車は都市における大気汚染だけでなく，CO2による地球環境問題に対しても無視できない影響を与える。ハイブリッド自動車はこれらの課題に対する有効な改善手段として認識されている。車の電気エネルギーの流れはインバータによって制御され，このインバータは多数のパワーデバイスからなるパワーモジュールとして組み込まれている。したがって，このハイブリッド自動車のキーコンポーネントのひとつがインバータに使用されているパワーデバイスである。ここでは，ハイブリッド自動車のモータ制御用インバータのパワーデバイスがどのような役割を担っているかを概観する。そして，自動車に適した新しいデバイス開発に対するわれわれの取り組みを紹介する。
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Research
Report
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P.7
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We propose a new high power insulated gate bipolar
transistor with a p-/n+ buffer layer to improve the
characteristics of high power IGBTs used in motor
control inverters during high voltage operation. The
new structure with a p- floating layer inserted between
n- epi and n+ buffer layers has a breakdown voltage
higher than that of conventional IGBT structures,
without increasing the on-voltage. We also demonstrated
that with this p- floating/n+ buffer structure, for
the first time an IGBT can have performance in the
900V-200A class.
新しい高出力型IGBTデバイスを提案する。その構造は従来構造に比べ，p-/n+バッファ構造を有する，今までに無い特徴を持っており，モータ駆動のインバータをさらに高電圧で制御することができる新しい半導体素子である。この新しいデバイスの構造はn+バッファ層とn-エピタキシャル層の間にp-フローティング層を形成しており，その特性は従来構造のIGBTに比べ，オン電圧を低下させることなく高い耐圧を得られるというものである。
われわれは電圧900V，電流200Aクラスのn+バッファ層とp-フローティング層を持つ新しい素子を試作し，その効果を確認した。
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P.12
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A novel collector structure
for thin-wafer IGBTs used in hybrid electric vehicles
to make a contact resistance lower without increasing
turn-off loss is proposed. This structure has a p-
Si injection layer and a p+ Ge contact. The characteristics
of a device with this new collector structure were
investigated by simulation. A 1.2kV thin-wafer IGBT
with the this p+ Ge contact layer was fabricated,
and its turn-off time and on-voltage were measured.
No remarkable increase in turn-off time was found,
in spite of a high carrier concentration in the contact
layer. Moreover, the contact resistance in the collector
of the proposed device was low, compared with that
of the conventional device. These results demonstrate
that the novel collector structure enables a low-resistivity
contact without increasing turn-off loss.
本研究では，ハイブリッド自動車用薄ウェハIGBTに対し，ターンオフ損失を増やすことなくコンタクト抵抗を低くする新規のコレクタ構造を提案した。この構造は，低キャリア濃度p型
(P-) シリコン注入層と，高キャリア濃度p型 (P+) ゲルマニウムコンタクト層を持つ。その新規なコレクタ構造を持つデバイス特性をシミュレーションにて調べた。そのp+ゲルマニウムコンタクト層を付加した1.2kVの薄ウェハIGBTを作製し，そのターンオフ時間とオン電圧を測定した。結果として，コンタクト層のキャリア濃度が高いにもかかわらず，そのデバイスでは，ターンオフ時間の顕著な増大が認められなかった。また，従来デバイスの接触抵抗に比べ，提案構造のコレクタでの接触抵抗は低かった。これらの結果は，この構造がターンオフ損失を増大させることなく，接触抵抗を低くできることを示す。
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P.17
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This paper describes the analysis results of the
trench oxide of power devices by means of light emission
analysis. Localized electron injection was observed
at the upper corners of the trench edges. In addition,
it was found that the electron injection into the
edge of trench oxide was consistently larger than
that into the center of the trench oxide during the
electrical stressing. From these results, we conclude
that the oxide shape of the upper corner of the trench
edge largely determines the reliability of the trench
gate structure.
この論文では，発光解析によるトレンチ酸化膜の解析結果について述べる。局所的な電子注入がトレンチ端部の上部コーナで観測された。さらに，電気的ストレス印加中は，トレンチ酸化膜端部への電子注入がトレンチ中央部への電子注入よりも常に大きいことが示された。これらの結果より，われわれは，トレンチ端部の上部コーナの酸化膜形状がトレンチゲート構造の信頼性を支配するものと結論づけた。
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P.22
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庄司智幸，石子雅康，河路佐智子，杉山隆英，
堀田幸司，深見武志，濱田公守
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We have investigated a new short-circuit failure
mode of an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
occurring under high applied voltage, by experiments
and device simulation. The failure mode is characterized
by abrupt destruction within a few microseconds after
turning on the transistor. This phenomenon is caused
by concentration of the hole-current generated by
dynamic avalanche at an emitter contact edge of the
active cells. In addition, the hole-current path was
changed by the gate voltage. This hole-current concentration
caused sudden degradation of the short-circuit capability
when the gate voltage exceeded a certain value. By
preventing the hole-current concentration, we developed
an IGBT with sufficient short-circuit capability of
more than 10μsec under a high applied
voltage.
高電圧下におけるIGBTの新しい短絡破壊モードについて，実験とデバイスシミュレーションで調査した。このモードは，ターンオン後，数マイクロ秒以内で突然破壊するモードとして特徴付けられ，ダイナミックアバランシェで発生した正孔電流が，アクティブセルのエミッタコンタクト端へ集中することによって発生した。また，この正孔電流経路はゲート電圧によって変化し，あるゲート電圧を超えると，正孔電流集中によってデバイス短絡耐量は急激に低下した。われわれは，正孔電流の集中を抑制することにより，高電圧印加状態で10マイクロ秒を越える十分な短絡耐量を有するIGBTを開発した。
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P.27
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小島崇，山田靖，Mauro Ciappa，
Marco Chiavarini，Wolfgang Fichtner
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This paper describes a novel electro-thermal coupling
simulation technique for analyzing automotive IGBT
modules. This technique uses a electric circuit simulator
and is based on a power semiconductor device model
with temperature-dependent characteristics and a novel
compact thermal model suitable for automotive IGBT
modules. For the device model, a model parameter definition
method was proposed, and simulation results of on-voltage
characteristics using this model showed good agreement
with measurement results. The compact thermal model
can take into account lateral heat spreading within
the modules and thermal interference among power devices.
The thermal model was validated in a comparison of
temperature transient responses calculated using the
proposed model those calculated by FEM, and those
which were measured. The usefulness of the electro-thermal
coupling simulation technique was shown in example
simulations which included two parallel IGBTs with
resistive load.
ハイブリッド車のインバータシステムの主要構成要素であるパワーIGBTモジュールの動作予測に電気・熱連成解析が必要とされている。本研究では車載IGBTモジュールのインバータ回路動作解析用の新しい電気・熱連成シミュレーション技術を開発した。この技術は温度依存性を持ったパワー半導体素子モデルと車載IGBTモジュールに適した新しいコンパクト熱モデルから構成され，電気回路シミュレータを基盤として実行される。パワー半導体素子モデルについて，素子特性を過渡シミュレーション中に温度変化に応じて動的に変化できるパラメータ定義方法を検討し，オン電圧特性について実測との良好な一致を示した。提案するコンパクト熱モデルは，モジュール内の熱の横方向への広がりと半導体チップ間の熱干渉を表現可能である。熱のステップ応答について実測およびFEM解析との比較を実施し，高精度に温度変化を予測できることを示した。シミュレーション実施例として並列接続されたIGBTの温度上昇を計算し，電気・熱連成解析が有効に機能していることを示した。
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