特許 5874946 スイッチング制御装置及びショットキーダイオード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5874946

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】スイッチング制御装置及びショットキーダイオード

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20160218BHJP

   H01L 29/47 20060101ALI20160218BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20160218BHJP

   H02M 7/5387 20070101ALI20160218BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/12 L

   H01L29/48 D

   H01L29/48 M

   H02M7/5387 Z

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2009-80503(P2009-80503)

(22)【出願日】2009年3月27日

(65)【公開番号】特開2010-233406(P2010-233406A)

(43)【公開日】2010年10月14日

【審査請求日】2012年3月7日

【審判番号】不服2014-14284(P2014-14284/J1)

【審判請求日】2014年7月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000153236

【氏名又は名称】株式会社光波

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100071526

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 忠雄

(72)【発明者】

【氏名】青木 和夫

(72)【発明者】

【氏名】氏家 建和

(72)【発明者】

【氏名】島村 清史

(72)【発明者】

【氏名】ガルシア ビジョラ エンカルナシオン アントニア

(72)【発明者】

【氏名】倉又 朗人

【合議体】

【審判長】 飯田 清司

【審判官】 小野田 誠

【審判官】 綿引 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２８２８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−９２６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９２７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３００１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０３５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01L29/478

H01L29/872

H02M7/12

H02M7/5387

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ショットキーダイオードとトランジスタとを含んで構成されるスイッチング回路であって、
前記ショットキーダイオードは、
ｎ型導電性のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる半導体基板と、
前記ｎ型導電性のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる前記半導体基板の第１の面上に直接形成されたショットキー電極と、
前記半導体基板の前記第１の面に対して反対側の第２の面上に形成されたオーミック電極と、
を備えるスイッチング回路。

【請求項2】

前記ショットキー電極は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＡｌの群から選択された１つを含み、
前記オーミック電極は、前記第２の面上に形成された第１の膜と、この第１の膜上に形成された第２の膜を有し、
前記第１の膜は、Ｔｉを含む請求項１に記載のスイッチング回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチング制御装置及びショットキーダイオードに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の技術として、ショットキーダイオードを含むスイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータ及びトラクションインバータと、スイッチング素子の温度を測定する素子温度測定部と、車両の速度を測定する車速測定部と、車両の速度、及びスイッチング素子の温度に基づいてスイッチング周波数を変更する制御部と、を備えた電動車両の制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【0003】

この電動車両の制御装置によれば、車両の速度、及びスイッチング素子の温度が基準値以上の場合には、スイッチング周波数を通常よりも低周波側へと切り替えるので、スイッチング素子の過熱を防止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−３１２２７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、従来の電動車両の制御装置は、車両に配置されることから高温になりやすく、スイッチング周波数を低周波側に切り替えることが多くなり、車両の性能が低下する可能性がある。また、従来の電動車両の制御装置は、車両の性能向上のため、大型のモータを搭載するには、スイッチング素子が高耐圧であることが求められている。

【0006】

本発明の目的は、高温動作が可能で、かつ、高耐圧を達成するスイッチング制御装置及びショットキーダイオードを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一形態は、ショットキーダイオードとトランジスタとを含んで構成されるスイッチング回路であって、前記ショットキーダイオードは、ｎ型導電性のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる半導体基板と、前記ｎ型導電性のβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる前記半導体基板の第１の面上に直接形成されたショットキー電極と、前記半導体基板の前記第１の面に対して反対側の第２の面上に形成されたオーミック電極と、を備えるスイッチング回路提供する。

【0008】

本発明の他の形態は、前記ショットキー電極は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｉｎ、及びＡｌの群から選択された１つを含み、前記オーミック電極は、前記第２の面上に形成された第１の膜と、この第１の膜上に形成された第２の膜を有し、前記第１の膜は、Ｔｉを含む請求項１に記載のスイッチング回路を提供する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、高温動作が可能で、かつ、高耐圧を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの要部断面図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの順方向特性を示すグラフである。

【図4】図４は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの逆方向特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

[実施の形態]
（モータ制御装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。このモータ制御装置１は、スイッチング制御装置の応用の一例である。このモータ制御装置１は、例えば、電気自動車又はハイブリッドカーといった車両に搭載された高出力な電動モータ２を制御するものである。

【0012】

モータ制御装置１は、図１に示すように、主に、交流電力を供給する交流電源としての三相交流電源３と、三相交流電源３から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部４と、コンバータ部４によって変換された直流電力を整流する整流部５と、整流部５によって整流された直流電力を任意の周波数及び電圧に変換して電動モータ２に供給するインバータ部６と、を備えて概略構成されている。

【0013】

電動モータ２は、例えば、電圧がＡＣ２００〜６６００Ｖ、出力容量が数百〜数ＭＶＡ、スイッチング周波数が数百Ｈｚ〜２０ＫＨｚのＡＣモータである。

【0014】

コンバータ部４は、例えば、トランジスタ７とショットキーダイオード８からなる複数のスイッチング回路部１０から構成される。

【0015】

整流部５は、例えば、平滑コンデンサ５０から構成される。

【0016】

インバータ部６は、例えば、トランジスタ７とショットキーダイオード８からなる複数のスイッチング回路部１０から構成される。

【0017】

トランジスタ７は、ゲート制御機能を有するトランジスタであり、例えば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ：Inerted Gate Bipolar Transistor）である。なお、トランジスタ７は、ＩＧＢＴに限定されず、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタであっても良い。また、トランジスタ７は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行う図示しないマイコンによってゲートが制御され、高速にスイッチング動作を行うことができる。

【0018】

（ショットキーダイオードの構成）
図２は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの要部断面図である。このショットキーダイオード８は、一例として、寸法が１０×１０ｍｍであり、図２に示すように、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０と、オーミック電極８１と、ショットキー電極８２と、を備えて概略構成されている。

【0019】

ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０は、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系の半導体基板から構成され、その厚さは、一例として、１００μｍである。

【0020】

このＧａ_２Ｏ_３系の半導体基板が、ｎ型導電性を示すためには、半導体基板中のＧａがｎ型ドーパントと置換されるか、半導体基板中の酸素がｎ型ドーパントと置換されるか、またはβ−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶中の酸素欠陥によらなければならない。Ｇａがｎ型ドーパントと置換されるガリウム置換型ｎ型ドーパントとして、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＢｉ等が挙げられる。酸素がｎ型ドーパントと置換される酸素置換型ｎ型ドーパントとして、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等が挙げられる。

【0021】

また、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０は、室温におけるバンドギャップがおよそ４．８ｅＶであり、Ｓｉのバンドギャップ（およそ１．１ｅＶ）、ＳｉＣ（４Ｈ）のバンドギャップ（およそ３．０ｅＶ）、及びＧａＮのバンドギャップ（およそ３．４ｅＶ）に比べて大きいバンドギャップを有することが知られている。

【0022】

バンドギャップは、ショットキーダイオードの動作温度に関係し、バンドギャップが大きいほど、動作温度は高くなる。また、バンドギャップは、ショットキーダイオードの絶縁破壊電解強度に関係し、バンドギャップが大きいほど、絶縁破壊強度が大きくなる。よって、本実施の形態におけるショットキーダイオード８は、ＳｉＣ（４Ｈ）及びＧａＮから作られるショットキーダイオードに比べて高温動作が可能で、かつ、高耐圧であるので、このショットキーダイオード８を含むスイッチング回路部１０は、高温動作が可能で、かつ、高耐圧である。

【0023】

オーミック電極８１は、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０の下面に形成された第１の膜８３と、第１の膜８３上に形成された第２の膜８４と、を有して概略構成される。

【0024】

この第１の膜８３は、例えば、スパッタ法等によって形成されたＴｉ膜である。

【0025】

また、第２の膜８４は、第１の膜８３の酸化を防止する導電性を有する材料からなり、例えば、スパッタ法等によって形成されたＡｌ膜である。なお、第２の膜８４は、Ａｌに限定されず、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ及びＮｂの群から選択された少なくとも１つの金属を含んで形成されても良い。

【0026】

なお、オーミック電極８１は、上記の例に限定されず、例えば、第１の膜８３と第２の膜８４の間にＰｔ等の高融点材料からなる膜を形成しても良く、また、複数の膜から形成されても良い。

【0027】

ショットキー電極８２は、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０の上面に形成される。また、ショットキー電極８２は、例えば、スパッタ法によって形成されたＡｕ膜である。なお、ショットキー電極８２は、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０との間でショットキー接触する限りＡｕに限定されず、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｉｎ及びＡｌの群から選択された少なくとも１つを含んで形成されても良い。

【0028】

（ショットキーダイオードの製造方法）
以下に、本実施の形態のショットキーダイオード８の製造方法の一例について説明する。まず、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるＧａ_２Ｏ_３基板をＦＺ（フローティングゾーン）法により作製する。最初に、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材を準備する。

【0029】

β−Ｇａ₂Ｏ_３種結晶は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶から劈開面の利用等により切り出した断面正方形の角柱状を有し、その軸方向は、ａ軸＜１００＞方位、ｂ軸＜０１０＞方位、あるいはｃ軸＜００１＞方位にある。

【0030】

β−Ｇａ₂Ｏ_３多結晶素材は、例えば、純度４ＮのＧａ_２Ｏ_３の粉末をゴム管に充填し、それを５００ＭＰａで冷間圧縮し、１５００℃で１０時間焼結することにより得られる。

【0031】

次に、石英管中において、全圧が１〜２気圧の窒素と酸素の混合気体（１００％窒素から１００％酸素の間で変化）の雰囲気の下、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。次に、β−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶の溶解物を冷却し、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を生成する。β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶は、ｂ軸＜０１０＞方位に結晶成長させた場合は、（１００）面の劈開性が強くなるので、（１００）面に平行な面と垂直な面で切断してβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板を作製する。なお、ａ軸＜１００＞方位あるいはｃ軸＜００１＞方位に結晶成長させた場合は、（１００）面および（００１）面の劈開性が弱くなるので、全ての面の加工性が良くなり、上記のような切断面の制限はない。

【0032】

次に、６０℃の硝酸水溶液中で数分間ボイリングすることによりＧａ_２Ｏ_３基板をエッチングし、このＧａ_２Ｏ_３基板をエタノールに浸して１０分間超音波洗浄し、さらに超純水に浸して１０分間超音波洗浄した後、乾燥し、Ｇａ_２Ｏ_３基板の表面を清浄化させ、Ｇａ_２Ｏ_３基板を得る。

【0033】

なお、エッチング後に超純水に浸して超音波洗浄してもよい。また、エタノールの代りにアセトンを用いてもよい。また、エタノール、アセトン等に浸して行う超音波洗浄を省略してもよい。また、超音波洗浄する場合、Ｇａ_２Ｏ_３基板を超純水、エタノール、アセトンに漬ける場合について説明したが、超純水等を吹き付けてもよく、流れる超純水等に晒してもよい。また、必ずしも洗浄を行わなくても良い。

【0034】

上記の製造方法によりＧａ_２Ｏ_３基板がｎ型導電性を示すことになるのは、β−Ｇａ₂Ｏ₃単結晶中の酸素欠陥によるため、あるいは、ｎ型のドーパントによるためである。

【0035】

次に、スパッタ法によってｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０上に第１の膜８３及び第２の膜８４を形成する。

【0036】

具体的には、スパッタ装置によってＤＣＰｏｗｅｒが１５０Ｗ、ガス種がＡｒ、圧力が２．０×１０^−１Ｐａの条件で、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０上に第１の膜８３としてのＴｉ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。続いて、スパッタ装置によってＤＣＰｏｗｅｒが１５０Ｗ、ガス種がＡｒ、圧力が２．０×１０^−１Ｐａの条件で、第１の膜８３上に第２の膜８４としてのＡｌ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。

【0037】

次に、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０を裏返し、スパッタ法によってｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０上にショットキー電極８２を形成してショットキーダイオード８を得る。

【0038】

具体的には、スパッタ装置によってショットキー電極８２としてのＡｕ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。

【0039】

図３は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの順方向特性を示すグラフであり、図４は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの逆方向特性を示すグラフである。図３及び図４は、縦軸が電流（Ａ）、横軸が電圧（Ｖ）である。

【0040】

上記した製造方法によって製造したショットキーダイオードに対してカーブトレーサーによる電流及び電圧測定を行い、図３及び図４に示す順方向特性及び逆方向特性の結果を得た。つまり、このショットキーダイオードは、図３及び図４に示すような整流特性を示した。なお、図３を参照すると、約３．５Ｖ程度の順電圧で電流が流れ始めることがわかる。また、図４を参照すると、約４６Ｖ程度の逆電圧で電流が流れ始めることがわかる。

【0041】

（モータ制御装置の動作）
以下に、本実施の形態に係るモータ制御装置の動作について説明する。

【0042】

まず、三相交流電源３は、コンバータ部４に交流電力を供給する。続いて、コンバータ部４は、交流電力を直流電力に変換し、整流部５は、変換された直流電力を平滑コンデンサ５０によって整流する。続いて、インバータ部６は、図示しないマイコンによるＰＷＭ制御に基づいてトランジスタ７を介してスイッチング動作を行い、直流電力を任意の周波数及び電圧に変換して電動モータ２に供給する。電動モータ２は、回転力を車両の駆動部に伝達する。

【0043】

（実施の形態の効果）
本実施の形態におけるモータ制御装置によれば、以下の効果が得られる。
（１）コンバータ部４及びインバータ部６のスイッチング回路部１０に含まれるショットキーダイオード８は、Ｓｉ、ＳｉＣ（４Ｈ）及びＧａＮに比べて大きいバンドギャップを有するｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板８０から形成されるので、高温動作が可能で、また、高耐圧である。よってこのコンバータ部４及びインバータ部６を含んで構成されるモータ制御装置１は、高温となる環境下にあっても、安定して動作することが可能であり、車両の性能を向上させることができる。
（２）また、ショットキーダイオード８は、高耐圧であることから、小型化することができるので、モータ制御装置１を小型化することができる。

【0044】

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形および組み合わせが可能である。

【符号の説明】

【0045】

１…モータ制御装置、２…電動モータ、３…三相交流電源、４…コンバータ部、５…整流部、６…インバータ部、７…トランジスタ、８…ショットキーダイオード、１０…スイッチング回路部、５０…平滑コンデンサ、８０…ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３基板、８１…オーミック電極、８２…ショットキー電極、８３…第１の膜、８４…第２の膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】