新しい低損失シリコンスーパージャンクション
バイポーラパワートランジスタ

国立大学法人 山梨大学
大学院総合研究部 工学域 電気電子工学科教授 矢野 浩司

2022/11/29

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紹介するパワー半導体に関する新規技術• Si-スーパージャンクションバイポーラトランジスタ(Si-SJBJT)
特徴：低コスト、低オン抵抗、高電流増幅率、650V定格• SJBJT-MOSFETダーリントンペアとその高速駆動回路
特徴：電圧駆動、SJBJTのターンオフ損失低減

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今回開発したシリコンパワートランジスタ
スーパージャンクション接合型バイポーラトランジスタ(SuperJunction Bipolar Junction Transistor : SJBJT)+

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特許出願：半導体装置=

特願2019-203395

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Si-SJBJTの製造工程の概要
SJ構造形成ベース層形成エミッタn-エピ層形成

ベース、エミッタコンタクト領域形成*日清紡マイクロデバイスによる2022/11/29

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開発したシリコンSJBJT
日清紡マイクロデバイス株式会社様との共同開発

6インチSiウエハーでの製造

TO247パッケージサンプル品

開発したSJBJTの諸元(室温）値
降伏電圧 (V)

電流増幅率
特性オン抵抗 (mΩcm2)

条件

650

Min.

200

IC = 10 A/cm2 VCE = 0.2V
IC = 100 A/cm2 VCE = 2.0 V

2.2hFE=7.0

4.1

hFE=11.0

2020年８月28日プレスリリース
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Si-SJBJTの電流電圧特性
オン特性

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オフ特性

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Si-SJBJTの電流増幅率

100A/cm2で同定格のSiバイポーラトランジスタの10倍以上の電流増幅率

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Si-SJBJTの特性オン抵抗-降伏電圧特性

650V級Si-SJBJT
特性オン抵抗Ron,sp• 2.1 mΩcm2 @hFE=7.0• 4.2 mΩcm2 @hFE=11.0

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650V定格での競合素子との性能比較
競合素子

Si-SJBJTSi SJMOSFET

SiC-MOSFET

定格電圧(V)

650

650

650

オン抵抗
( mΩcm2 )2.1〜4.2

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約2.0

電流
増幅率

200 (VCE=2V)
7 (VCE=0.2V)

NA

NA

断面構造

＊室温

SJBJT : 低コスト、低オン抵抗、高電流増幅度
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9SJBJTの想定される応用分野

SJBJT

ソリッドステートリレー
• 家電
• 自動車
• 産業機器省エネ、小型化、低コスト化が期待できる！

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SJBJTの課題

ターンオフ波形

1.5μsの遅延時間!

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SJBJTとSi-MOSFETダーリントンペア(SJBJT-MOSFET Darlington Pair : SJBMD)
SJBMDの構成
1. SJBJTのMOSゲート駆動
コレクタ (C)
補助Si-MOSFET

電圧駆動方式
主ゲート(G1)
補助ゲート(G2)

２．補助ゲートに電荷誘引回路を接続し、ターンオフ遅延を改善
Si-SJBJT
シャント抵抗Rsh

ただしオン抵抗はSJBJT単独より増加
Si-SBD2022/11/29

エミッタ (E)12SJBMDのターンオフ速度改善用駆動回路
メイン駆動回路Rgon

SJBMD
MOSターンオン電流Ig

ターンオフ時のみSJBJTの蓄積電荷+QBを
Rgoff2→Tr3→VGEoffの経路で引き抜く

オン

VGEon

Tr1
オン

MOSターンオフ電流Ig

Tr2
VGEoffRgoff1+QB

Rgoff2

高速ターンオフ化オン

Tr3

SJBJTターンオフ引抜電流 Ibsj

ターンオフ時の電荷誘引回路
特許出願：半導体スイッチ及び半導体回路, 特願2021-198011
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提案駆動回路によるSJBMD高速ターンオフ化
負荷電流6A 電源電圧300V

メイン駆動回路
Rgon
VGEon

SJBMD

Ic

Tr1+QB

Tr2

VGEoffRgoff1Vce

Rgoff2
Tr3

Ibsjターンオフ時の電荷誘引回路

VGEoffの絶対値の増加でibsjが増加し、ターンオフ遅れ時間が低減できている

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14VGEoffおよびRgoff2のターンオフ性能への効果
メイン駆動回路

700

Eoff (μJ) , tstg (ns)tstg

VGEoff=-15V

600

Ic

Rgon

SJBMD

500

Tr1VGEon

400
300

Eoff

200+QB

Tr2

VGEoff

100

Rgoff1Vce

Rgoff200

1020304050

Rgoff2 (Ω)

Tr3

Ibsj

450

Eoff (μJ) , tstg (ns)400

Rgoff2=10Ω350

ターンオフ時の電荷誘引回路

tstg

300
250

VGEOFFおよびRgoff2の低減により、ターンオ
フ損失Eoffおよび蓄積時間tstgを効果的に低減できる

200
150
100

Eoff

500-162022/11/29-11-6

VGEoff (V)-115SJBMDと競合素子との比較
オン特性

10A以上の高電流域でSJMOSFET
およびIGBTよりも低いオン電圧
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ターンオフ波形• SJBMDはSJ構造を利用しているので、IGBTにみられるテール電流がない• SJBMDはSJMOSFETとIGBTの中間のター
ンオフ性能
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従来技術との比較

高耐圧
低オン抵抗
(>100A/cm2)

低オン抵抗(<100A/cm2)

本発明
SJBMD

Si-IGBTSiSJMOSFET

SiC-MOSFET△○△○〜650V

650〜6.5kV〜650V

650〜6.5kV

○○△◎

○△○

◎◎

◎

△

高速性能

○

製造コスト

◎◎◎

SiCの1/3

SiCの1/3

SiCの1/3

ターンオフ時のテール電流によるX

定格650Vで100A/cm2以上の高電流動作で低コスト、高速、低オン抵抗が得られる
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SJBJTの想定される用途
低〜中出力（数kW程度）のインバータおよびDC-DCコンバータなど各種変換器への応用• 低コスト化• 変換器のサイズの縮小
その他• ソリッドステートリレー• 電力増幅器への応用も可能2022/11/29

18実用化に向けた課題• 現在、SJBJTのサンプル製造およびオン特性、降伏特性およびスイッチング特性を競合素子と比較し、その優位性を明らかにするところまで終了している。

• 今後は、各種信頼性試験を実施し、実用化に耐えうる信頼性を確保できるよう開発を進める

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企業への期待• 電源、自動車、産業機器の関連企業様などに於いて、低損失、小型の電力変換器を開発中の場合、こちらでトランジスタのサンプル提供できるため、それを使用し実機動作を実施して頂き、実用化に向けた課題などご教示頂きたい

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本研究に関連する知的財産権
SJBJTに関する特許• 発明の名称：半導体装置• 出願番号 ：特願2021-5555142• 公開番号 ： WO20211090944• 出願人：山梨大学、日清紡マイクロデバイス株式会社• 発明者：矢野 浩司、橋本 誠

SJBMDの高速駆動に関する特許• 発明の名称：半導体スイッチ及び半導体回路• 出願番号：特願2021-198011

• 出願人

：山梨大学

• 発明者

：矢野

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浩司

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産学連携の経緯
2017年から日清紡マイクロデバイス株式会社(元新日本無線株式会社）とNDAを締結し、本技術の開発を進めている

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お問い合わせ山梨大学
研究推進・社会連携機構 URA・社会連携センター
TEL 055-220-8758
FAX 055-220-8757
e-mail renkei-as@yamanashi.ac.jp2022/11/29

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