FEJ 75 10 589 2002

富士時報
Vol.75 No.10 2002
高耐圧ショットキーバリヤダイオード
北村 祥司（きたむら しょうじ）
伊藤 博史（いとう ひろし）
表１ スイッチング電源用ダイオード一覧
まえがき
現状適用ダイオード
用 途
近年，電子機器の小型化，高性能化の動向に対し，ス
ニーズ
SBD
イッチング電源では，高効率化，低ノイズ化，小型化対応
LLD
AC100 V 入力
専用
300 V
600 V
高効率
れる。特に，スイッチング電源の 50 ％弱の損失を占める
AC 200 V 入力
ワールドワイド
（75 W 以上）
二次側出力整流ダイオードの特性改善が強く望まれている。
出力電圧 3.3 V
30 V
出力電圧 5 V
45 V
200 V
高効率
低ノイズ
が進められている。スイッチング電源用パワーデバイスに
一次側
要求される特性としては，低損失化，低ノイズ化があげら
パソコン
電源
富士電機では，この要求に対し 20 V から 100 V 耐圧の
ショットキーバリヤダイオード（SBD：Schottky Barrier
Diode）
，200 V，300 V 超高速低損失ダイオード（LLD：
Low Loss fast recovery Diode）の開発系列化を推進し，
各種出力電圧に対応する最適なダイオードをシリーズ化し
ス
イ
ッ
チ
ン
グ
電
源
PFC
回路
出力電圧 12 V
二次側
整 流
てきた。
高効率
高温動作
AC
アダプタ
出力電圧
15∼19 V
OA/FA
電源
出力電圧 24 V
300 V
高効率
低ノイズ
出力電圧 28 V
300 V
高効率
低ノイズ
出力電圧 48 V
400 V
高効率
低ノイズ
今回，従来使用されていた 200 ∼ 300 V LLD に対し，
100 V
基地局
電源
電源の 12 ∼ 48 V 出力の整流用に最適な高耐圧 SBD を開
発したので紹介する。
逆 流
防 止
本製品は，低 VF（順方向電圧）であると同時にソフト
リカバリー特性を有し，スイッチング時のサージ電圧の抑
Oring
10∼
20 V
制が期待できる。したがって，従来は 200 V，300 V 耐圧
クラスの LLD を使用していた回路へ１ランク下の耐圧の
どでは，CPU の高速化，大容量化，小型化，低ノイズ化
適用が可能となり，低 VF 化による低損失化，高効率化，
などのニーズに対応する目的で，二次側整流回路に使用さ
スナバ回路の簡素化が期待でき，スイッチング電源の高効
れるダイオードに対し VF による発生損失の低減，逆回復
率化，小型化に寄与できるものと考える。以下に今回開発
特性による跳ね上がり電圧，スイッチングノイズの低減が
した高耐圧 SBD を紹介する。
に 200 V LLD を使用した場合の
要求されている。 図１
（a）
パソコン用電源（250 W）の 12 V 出力部ダイオードの損
開発の背景
失分析を示す。損失の 90 ％以上は VF による損失である
（b）
にスイッチング時のダイオー
ことが分かる。また，図１
今回開発した高耐圧 SBD は，スイッチング電源の二次
ド印加波形を示す。このサージ電圧および急峻（きゅう
側整流，特に高電圧出力整流用に最適なダイオードと考え
しゅん）な dv/dt によるノイズを抑制するために，スナバ
ている。表１にスイッチング電源に使用されるダイオード
回路やビーズなどを適用しており，部品点数の増加，コス
を用途別に示す。二次側整流に注目すると，3.3 V，5 V と
トのアップなどを招いている。
いった低電圧出力回路では，低耐圧 SBD（30 V，45 V）
従来使用されている LLD は，pn 接合ダイオードであり，
が使用されているが，高電圧出力回路では，耐圧の高い
低 VF 化には限界がある。また一般にソフトリカバリー性
LLD（200 V，300 V，400 V）が使用されていた。12 V 以
と VF にはトレードオフ関係があり，低 VF 化とソフトリ
上の高電圧出力を有するパソコン電源，通信基地局電源な
カバリー化の両立が非常に困難であった。そこで SBD の
北村 祥司
伊藤 博史
パワーダイオードの開発設計に従
パワーダイオードの開発設計に従
事。現在，富士日立パワーセミコ
事。現在，富士日立パワーセミコ
ンダクタ（株）松本事業所開発設計
ンダクタ（株）松本事業所開発設計
部。
部。
589（41）
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高耐圧ショットキーバリヤダイオード
Vol.75 No.10 2002
低 VF，ソフトリカバリー特性に着目し，従来 pn 型高速
ダイオードを使用している高出力回路に高耐圧 SBD を適
３.２ バリヤメタル選定
用することで低損失化，ソフトリカバリー特性による低ノ
３.１節の検討結果から，150 ∼ 250 V の耐圧を確保する
イズ化が同時に達成可能となる。以上から，今回の高耐圧
にはエピタキシャル層の比抵抗を高くし，厚さは 10μm
SBD の目標特性は，12 V 出力から 48 V 出力部をターゲッ
以上が必要となる。低耐圧 SBD と同様なユニポーラ動作
トにし，現状の pn 型高速ダイオードと比較して，
を仮定すると，VF は pn ダイオードに比べかなり高くな
（1） 低 VF 性の確保
るはずだが，ショットキー接合およびガードリングからの
（2 ） ソフトリカバリー性の確保
少数キャリヤ（ホール）の注入が起き，VF が抑えられる。
図４に，40 V，150 V，250 V 耐圧仕様のエピタキシャル層
（3） 150 ∼ 250 V 耐圧
に，3 種のバリヤメタルａ，ｂ，ｃ（バリヤ高さａ＜ｂ＜ｃ）
を加味し，開発を推進した。
を形成したときの順方向特性のシミュレーション結果を示
素子設計
す。150 V，250 V 耐圧の仕様のものではバリヤ高さが高
図２ SBD チップの断面構造
３.１ 耐圧設計
図 ２ に高耐圧 SBD のチップ構造を示す。耐圧構造は
ガードリング
ガードリング方式を採用した。素子の耐圧は，エピタキ
ショットキー電極
酸化膜
シャル層（n−層）の比抵抗 ρ と厚さ t で決まる。 図３ に，
耐圧 VBR の比抵抗ρ，厚さ t 依存性を示す。高耐圧ほど，
比抵抗ρを上げ，エピタキシャル層厚 t が厚い設計とし，
エピタキシャル層
ρ
t）
（比抵抗 /厚さ
さらにガードリングの濃度，拡散深さを最適化し目的の耐
圧を確保した。
Si基板
図１ 二次側整流（12 V 出力）の損失分析と印加波形
35
30
V ：50 V/div
I ：1 A/div
t ：10 ns/div
スイッチング損失
図３ エピタキシャル層の仕様と耐圧
300
280
260
20
I
耐圧 V BR（V）
損失（ J）
25
15
順損失
10
5
0
V
160
140
120
100
10
200 V LLD
（a）損失分析
240
220
200
180
エピタキシャル層の比抵抗
12
（b）印加波形
14
16
エピタキシャル層厚 t
18
20
図４ 順方向特性のシミュレーション結果
4.5
5.0
バリヤ高さ
a＜b＜c
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
c
ba
5.0
順方向電流密度 J F（A/mm2）
abc
順方向電流密度 J F（A/mm2）
順方向電流密度 J F（A/mm2）
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
c
b a
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
順方向電圧 V F（V）
順方向電圧 V F（V）
順方向電圧 V F（V）
（a）40 V耐圧
590（42）
（b）150 V耐圧
（c）250 V耐圧
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いほど，大電流域では VF が低くなる（0.7 ∼ 0.8 V でクロ
スイッチング損失が予想され，pn ダイオードと同様のラ
スポイントあり）
。ショットキー部からのホール注入は，
イフタイムコントロールが必要となる。ライフタイムキ
エピタキシャル層の比抵抗が大きいほど，またバリヤ高さ
ラーには，荷電粒子，重金属などが考えられるが，静特性
が高いほど多くなる。図５は図４の結果などから VF と IR
やソフトリカバリー性を損なうことなく，逆回復損失を低
（逆方向電流）の関係を求めたものを示す（各耐圧クラス
減できるように，工程条件を最適化した。
。40 V 耐圧では，
でバリヤ高さを変えたときの VF -IR 特性）
素子特性
従来の VF -IR トレードオフを示すが 150 V，250 V ではバ
リヤ高さが高いほど VF は低減する。特に 250 V SBD にお
いて pn ダイオードに対し，低 VF 特性を達成するには，
以上の検討結果をもとに，150 V，250 V SBD（電流定
バリヤ高さは，メタル b 以上必要であることが分かる。
格 10 A）を作製した。バリヤメタルとしては，バリヤ高
３.３ ライフタイムコントロール
タイプ A，B それぞれの順方向特性を，図８に逆方向特性
さが異なるタイプ A，タイプ B（IR 重視）とした。図７に
３.２節の VF 特性から予想されるように，150 V，250 V
を示す。比較のために富士電機製 200 V，300 V LLD も示
耐圧の結晶に，高バリヤ高さのメタルを形成した場合，
した。順方向特性の立上り電圧の違いは，バリヤ高さの違
ショットキー部およびガードリング部からのホールの注入
いによる。タイプ A，B ともに LLD より低 VF となって
が顕著になり，逆回復が無視できなくなる。図６に，バリ
いる。特にタイプ A では，低電流域で低 VF が顕著である。
ヤ高さ b 付近のバリヤメタルを用いた場合の各耐圧クラ
図９に逆回復特性の LLD との比較を示す。最も注入の大
スでの逆回復特性を示す。特に 250 V クラスでは，大きな
きな 250 V タイプ B SBD と 300 V LLD を比較した。IRP
（逆回復ピーク電流）は同レベルであるがソフトリカバ
リーになっていることが分かる。表２には，以上の特性比
図５ VF - I R 相関
40 V
耐圧
10−1
図７ 順方向特性（試作結果）
250 V
耐圧
150 V
耐圧
a
：150 V SBD A
：150 V SBD B
：200 V LLD
10−2
c
バリヤ高さ
a＜b＜c
pnダイオード
10−6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
順方向電流 I F（A）
100 ℃
10−4
10−5
：250 V SBD A
：250 V SBD B
：300 V LLD
10
10
b
10−3
順方向電流 I F（A）
J R（A/cm2）
逆方向電流密度 （40 V,150 V,250 V のとき）
1
25 ℃
1
25 ℃
0.1
0.1
1.2
100 ℃
1
2
順方向電圧 V F（V）
（ J F ＝2 A/mm のとき）
0.01
0
図６ 結晶仕様と逆回復特性
I F ＝10 A
−di /dt ＝100 A/ s
室温
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
順方向電圧 V F（V）
1.2
（b）250 V SBD
図８ 逆方向特性（試作結果）
10,000
：150 V SBD A
：150 V SBD B
：200 V LLD
逆方向電流 I R（ A）
1,000
250 V 耐圧
0
（a）150 V SBD
1A/div
20 ns/div
150 V 耐圧
0.01
1.2
100 ℃
100
10
25 ℃
1
100 ℃
100
10
1
25 ℃
0.1
0.1
0.01
：250 V SBD A
：250 V SBD B
：300 V LLD
1,000
逆方向電流 I R（ A）
40 V 耐圧
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
順方向電圧 V F（V）
0
50
100
150
200
逆方向電圧 V R（V）
（a）150 V SBD
250
0.01
0
50 100 150 200 250
逆方向電圧 V R（V）
300
（b）250 V SBD
591（43）
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表２ 特性比較（試作結果）
150 V SBD
項目
250 V SBD
条 件
タイプ A
VF
25 ℃
I F ＝10 A
0.84
タイプ B
タイプ A
0.83
1.18
タイプ B
0.93
200 V
LLD
0.92
300 V
LLD
1.05
単位
I
dl F
dt
IF
V
Q rr
t
0
IR
100 ℃
VR ＝150/250 V
100 ℃
I F ＝10 A
−di / dt ＝
100 A/ s
t rr
I RP
S
2,000
27
1,620
14
290
479
A
41
40
100
52
36
39
ns
2.0
2.0
3.8
2.4
2.6
2.4
A
0.55
0.48
1.27
0.63
0.14
0.3
ー
図９ 逆回復特性（試作結果）
I RP
t1 t2
t rr
ソフト性
t2
S＝
t1
図１１ 二次側整流ダイオードの損失比較（12 V 出力電源）
35
I F ＝10 A
−di /dt
＝100 A/ s
100 ℃
300 V LLD
I F ＝10 A
−di /dt
＝100 A/ s
100 ℃
スイッチング損失
30
逆損失
25
損失（ J）
250 V SBD
タイプ B
20
順損失
15
10
1A/div
20 ns/div
1A/div
20 ns/div
5
0
200 V LLD
150 V SBD
タイプA
150 V SBD
タイプB
図１０ 12 V 出力電源実装時の印加波形
V：50 V/div
I ：1 A/div
t ：10 ns/div
実装試験結果
パソコンサーバ用電源（250 W，12 V 出力）に実装した
12 V
ときの波形比較を 図１０に示す。200 V の LLD の代わりに
I
（d）
は評価回路，
∼
は
150 V SBD を実装した。 図１０の
（b）
（a）
V RP ＝129 V
（a）12 V 出力回路
フォワード側のダイオードの波形である。跳ね上がりサー
ジ電圧が大幅に緩和されている。また，二次側の損失を計
V
（b）200 V LLD
算したものが図１１である。
タイプ A で 18.3 ％の損失低減が図られている。24 V，
48 V 系電源でも同様の検討結果が得られ，約 20 ∼ 30 ％
I
V RP ＝75 V
V
（c）150 V SBD タイプA
I
V RP ＝86 V
の損失低減が期待できる。
あとがき
V
（d）150 V SBD タイプB
以上，高耐圧 150 V，250 V SBD の概要，スイッチング
電源二次側整流用途への適用などについての概要を紹介し
た。今回の開発品の製品化は，10 A，20 A 定格，製品外
形は TO220，TO220-F15 を予定している。
較をまとめた。LLD と比較して低 VF，ソフトリカバリー
（S パラメータ大）となっていることが分かる。
592（44）
今後，さらなる低損失化，高性能化のための SBD の特
性改善を進めていく所存である。
＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する
商標または登録商標である場合があります。