2021
限界電流式のMEMS酸素センサについての報告。製法とセンシング特性について。
焼結銀（s-Ag）は、その高い熱伝導性によって次世代接合材として期待されている。パワーモジュール製品の接合箇所に適用する場合、接合劣化度は熱衝撃試験（TST）で評価される。従って、TST中の接合劣化メカニズムを理解することは、パワーモジュール設計上、非常に重要な役割を果たす。本研究は稼働中のパワーモジュール製品におけるs-Ag接合の故障を理解するために,TSTと4点曲げ機械疲労試験での銀焼成劣化メカニズムを比較した。
SiC
MOSFETの並列駆動時に生じる電流アンバランス動作に対する影響が支配的なモデルパラメータの抽出方法を提案する。抽出の結果、8個あるモデルパラメータの内、2個のパラメータの影響が支配的となる結果が得られた。
1.1°のツイスト角をもったツイスト2層グラフェン（TBG）はバンド状態に変調がみられ、超伝導特性を示すことが知られている。その際、フラットなバンド構造が現れる。本学会では、従来のTBGと比較して100倍以上の面積をもった大面積TBGを作製し、そのバンド構造観察を行った結果について示す。魔法角を含んだ様々なTBGのバンド構造を調べ、電子状態とそれに及ぼす界面の影響を考察する。
従来の方法では、ツイスト2層グラフェン（TBG）をバンド構造観察可能な試料サイズで作製することが困難であった。しかし当研究Gはエピタキシャルグラフェンを用いることで大面積TBGを作製し、容易に評価可能となった（前回報告）。今回の報告では、魔法角を含む様々なツイスト角のTBGを作製し、バンド構造の直接観察を行った結果について報告する。
はんだ接合の代替技術として、高熱伝導・耐熱な接合を可能にする銀焼成接合技術が注目を集めている。しかし、接合過程でどうしても空孔を内部に含む。これまで筆者らは空孔率が6%以下に抑えることで耐久性の向上を実証した.今回は,加圧型銀焼成を用いて,空孔率を2～4%に制御し,
静的引張試験を実施した.
空孔サイズ・空孔率が低いほど高い耐久性を示した.
パワーモジュール内のチップ温度を精度良く見積もるために構築した熱インピーダンスモデルの実機検証を行った。構築したモデルは、実測のチップ温度を精度良く再現し、最大誤差は5℃以内であった。
ニューラルネットワークと遺伝的アルゴリズムを用いてトロイダルコイル形状を自動最適化した。
誘電体線路を用いることで、テラヘルツ帯デバイスを低損失に導波管へ実装する技術を開発した。共鳴トンネルダイオードをフォトニック結晶導波路を介して実装したモジュールを作成し、無線通信をデモンストレーションした。
テラヘルツ帯共鳴トンネルダイオードとフォトニック結晶導波路の高効率・広帯域な結合構造の実現を目指し、新たに背面結合構造を提案し、300
GHz帯においてその動作を確認した。
SiCパワーデバイス市場の拡大には、デバイスコストの大部分であるウェハ価格を下げる必要がある。
本講演では、リモートエピタキシー技術のSiC適用について報告する。
SiCエピは、1873
K前後の高温CVD成長が必要です。これは、グラフェンの生存にとって過酷な環境です。
キャリアガスを水素からアルゴンに置き換えることで、グラフェンのエッチングを抑制して、剥離に成功しました。
このアプローチは、リモートエピを使用した高品質で低コストな代替基板の製造に向けた重要なステップであると考えられます。
GaN Ridge
HEMTのコンパクトモデルについて、ゲートインジェクションによるドレイン電流増加について前回APEC2020で発表した内容を改良し、物理的な発生メカニズムを考察しスケーラブルなモデル式を導出した。さらに、AC動作させた場合の電流利得H21の周波数特性への影響を解析した。本モデル式により、ゲートインジェクションによる電流増加領域のH21特性が、実測と高精度に一致するようになった。
システム回路シミュレーションソフトであるPLECSを用いて、モータインバータの簡単な走行モードシミュレーションを行った際の結果に関して報告する。
低温反応型接合技術として、InをCu基板上にメッキした構造を接合材として使用。温度・圧力・プロセス条件を最適化することで、接合面を容易に形成できる技術を開発した。
薄膜ＰＺＴアクチュエータに用いられるカンチレバー型振動板の動作を把握する事は、デバイス設計において重要な指標となる。今回、振動板の共振・非共振動作について、断面のリアルタイム観察を行う事で、変位の理論予想値との合致を確認でき、従来手法では得られなかった振動板動作に関する新たな情報の取得に成功した。
回路シミュレーション用のSIC MOSFETモデルを提案する。
誘導負荷スイッチング評価回路のスイッチング波形を測定し、提案モデルの精度を検証した。
また、三相インバータのシミュレーションを行い、モデルのシミュレーション速度を検証した。
精度、速度ともに非常に優れた結果が得られた。
Pb-2Sn-2.5Ag合金はんだは、電子デバイス用のダイアタッチとして、最も利用されている材料である一方で、その力学特性に関してはほとんど報告されていない。そこで本研究では、透明圧子を搭載した顕微インデンテーションを用いてPb-2Sn-2.5Agはんだの粘弾塑性特性を測定した。
高鉛はんだは工業界で長年使用されてきたため、微細構造や機械的特性を論じた基礎的な研究はほとんど報告されていない。そこで本研究では、高鉛はんだ継手の微細構造と機械的特性との関係について検討した。
フォトニック結晶レーザの素子設計を改良することで、-40～100℃の温度範囲で、モードホップすることなくレーザ発振が得られることを確認。出力変動率は既製品FP-LDと同定が得られることも確認。
テラヘルツ帯導波路として有望なバレーフォトニック結晶導波路に対して電子デバイスを集積化することを目指し、導波路と金属線路の高効率結合に関する検討を行った。
発振していない共鳴トンネルダイオードにテラヘルツパルスを照射することで発振が誘起されること、またその出力に高調波成分が含まれることを見出した。
300
GHz帯の共鳴トンネルダイオードを用いた高速無線通信と用途に応じたパッケージ開発について紹介する。
テラヘルツ波を用いた長距離(メートル級)イメージング技術について、関連するハードウェア、ソフトウェアにおける近年の進展および問題点を述べる。また、筆者らが行っている研究の一端を紹介する。
単一の共鳴トンネルダイオードにおける送受信同時動作を利用したテラヘルツ帯イメージングシステムを提案し、実証した。
2020
リカレントニューラルネットワークを使用して、時間の経過に伴うGaNトランジスタの劣化を追跡する方法の開発
。トランジスタの通常動作中に用意に得られる測定値から、動作が正常であるか、異常があるかを検出できます。
この方法により、デバイスの状態をライブで監視できるようになります。
単一の共鳴トンネルダイオードにおいて、送信動作と受信動作が同時に可能であることを見出し、イメージング応用において実証した。素子数が削減できるため、システムの簡素化に寄与する。
並列接続されたSiC
MOSFET間の電流シェアに及ぼすデバイスパラメータ変化の影響を調べた。
本検討では、静的及び動的な電流シェアに影響を与える主なデバイスパラメータを明らかにした。
また、各デバイスの電流分布の不一致がエネルギー損失に及ぼす影響を評価した。
銀焼成は空孔率が低い(4%)ことが機械強度を上げるために重要であることが分かっているが、空孔形状や、結晶状態がその材料強度にどのような影響があるか不明である。
本研究結果から、焼結後の結晶サイズ分布が狭いことで、空孔形状が真円形状に近づき、材料強度をあげることができることが分かった。
マシンヘルスモニタリングアプリケーションシステムが連続稼働状態でありながら、搭載されている加速度センサの出力データを調べることにより、加速度センサ自体が機械的に劣化した状態にあるかを自己診断する方法。
SiC-MOSFETの高電圧・大電流領域におけるId-Vd特性は、飽和せずに増加傾向を示す。TCADシミュレーションによる解析により、これは測定時の発熱を考慮することでよく説明できることが示された。
ZｎドープGaN中に形成される不純物準位深さの評価より、ZnはGaN中で価電子帯上端から0.3eVに準位を形成し、アクセプタ不純物としてふるまうことを明らかにした。ZnドープGaNを用いて0.1μmのメサ形状を形成し、これをゲート層としたAlGaN/GaN
HFETでノーマリーオフ動作を確認した。
SiCMOSFETの高速スイッチング特性を最大限生かすために、新たに開発したゲートドライバとその設計方法に関して紹介する。
スイッチング電源の小型化と高電力変換効率の両方を解決するために、低Qoss、低QgであるGaNトランジスタの採用が有用な選択肢であることを明らかにした。駆動周波数2MHz、100Wクラスの絶縁型48V-12V
LLCコンバータを作製したところ、最大電力変換効率は95.3%に達した。
ロームの最新世代のSiC-MOSFETの基本特性を紹介し、現在量産中の世代のデバイスとの比較結果を披露する。一方、パワーデバイスの特性が良くなればパワー回路が改善すると思われがちであるが、事はそう簡単ではない。パワー回路そのものが改善するために実施した、アプリケーション研究、計算技術研究の結果を紹介する。
銀焼成を用いたモジュールの熱信頼性評価技術が求められている。
しかしながら、熱信頼性試験は、評価期間に約3ヵ月を有することから、開発スピードのボトルネックになっている。本発表では、機械負荷試験を用いた信頼性加速試験について発表している。銀焼成接合層部に、せん断応力を負荷できるセットアップにすることで、熱信頼性試験後の亀裂破壊を再現することに成功した。
銀焼成を用いたモジュール化へ向けて、その機械特性を把握することが重要である。
本発表では、銀焼成と銀箔の引張機械特性を比較している。銀焼成は銀箔と比較すると、常温時に高強度であるが、疲労破壊しやすい材料であることが分かった。
高熱伝導・耐熱な接合が可能になる銀焼成材は将来接合着技術として期待される。この材料を用いたモジュール化には、熱信頼性試験をクリアする必要がある。本発表では、銀焼成の引張機械特性を取得し、あえて温度帯を低温側と高温側に分けて熱信頼性試験を実施した。結果から、高温側での機械特性が熱信頼性試験上、重要であることを明かした。
銀焼成の疲労機械特性と、熱信頼性試験結果を比較し、評価した。銀焼成は常温下で、弾性領域で疲労試験を実施すると、500回程度で破壊する。実際、接合体を用いて-60℃-60℃の温度サイクル試験を実施すると、700サイクル後、接合劣化していた。一方、室温-150℃の温度帯では、接合劣化が200サイクルから進行していた。高温領域での機械特性が熱信頼性試験設計において重要であることを明らかにした。
Twisted bilayer
graphene(TBG)は、ツイストの角度によってそのエネルギーバンド構造を制御することが可能との報告がある。その中でも、Magic
angleと呼ばれるツイスト角が1.1°付近では超電導特性を示すことが報告されている。本研究では、SiC熱分解法により作成したエピタキシャルグラフェンを転写することで、大面積TBG試料を作成することに成功した。
SiC(000-1)面上グラフェンにおいて、C面上グラフェンの回転角における制御する手法はなく、本研究ではC面上グラフェン角における回転角制御を目指す。
テラヘルツデバイス向けに、汎用的なPLCCパッケージと高利得アンテナを集積化させた小型パッケージを世界で初めて開発した。機能的で量産化が期待できる高周波パッケージ形態として有望である。
SiCパワーモジュールの高速スイッチングに伴う電圧サージを抑制するため、モジュールにDCリンクコンデンサを内蔵することが有効であるが、その効果を定量的に予測した例はない。本研究では、DCリンクコンデンサ内蔵SiCパワーモジュールのターンオフ電圧サージを回路方程式に基づいて理論的に予測し、実測とよく一致することを確認した。
フォトニック結晶LDに置いて、裏面DBR層の周期数を増やす(反射率を大きくする)ことでビーム品質の改善が得られることを見出した。DBR層を透過した光が不要な乱反射を招き、ビーム品質を低下させる可能性があり、それを抑制した結果であると考えられる。
ワイドバンドギャップ半導体デバイスのモデリング手法とその適用事例，さらに電力変換器の高周波化に伴うスイッチング素子周辺のモデリング手法について最新動向を紹介する。
銀焼成の引張疲労機械特性を常温領域で取得し、ストレスと、破断寿命の関係を得た。さらに銀焼成材を用いた接合体を-60℃から60℃の範囲で温度サイクル試験を実施した。超音波探傷像によって接合評価すると700サイクル後も接合劣化しておらず、引張疲労機械特性の結果と相関がとれていることを確認した。
2019
SiC DMOSで培ったデバイスモデリング手法をSiC
UMOSへ適用することにより、モデリング手法の汎用性を検証した。SiC
UMOSのチップを使用したパワーモジュールのスイッチング波形を実測とシミュレーションで比較することでモデルの評価を行った。
結果として、DMOSの時と同様に高精度に実測を再現したシミュレーション波形を得ることができた。
"銀焼成の疲労機械特性を取得することが、システムの信頼性を理解する上で重要である。
今回我々は多孔質銀焼成の薄膜試験片(空孔率:5%)と銀膜の疲労試験を実施した。銀焼成膜の疲労寿命は銀箔の疲労寿命よりも短くなった。"
Demonstrate the dynamic on-state resistance of GaN-HEMT and
estimate inpact of loss of devices.
This study report that high speed switching gate drive circuit
for SiC MOSFETs. The provided gate drive circuit adapted
subsidery capacitor in order to add gate voltage, enables
increase gate current. This allows fast charge and discharge and
reduced switching losses. This study confirmed that the provided
gate drive circuit reduce switching loss compared to
conventional one.
A novel measurement method to extract high voltage and high
current I-V characteristics (HVHC I-V)of SiC MOSFET is proposed
in this paper. The method could extract the HVHC I-V with
extremely reduced self heating of the device. By using the
method, we can measure higher voltage and current I-V
characteristics than those extracted by the conventional method.
It is possible for us to measure the HVHC I-V of the next
generation SiC MOSFET, whose rated volatge and current is more
than those of the conventional device.
The internal gate resistance of SiC MOSFET effects its switching
behavior larger than Si devices because it can switch at high
speed with low external gate resistance. However, the convention
mesurement method of internal gate resistance is not accurate.
Then, we devised the new measurement method of it at switching
operation by the switching waveforms.
銀焼成は、空孔率がその引張り機械特性に影響することがわかっている。ところが、銀焼成の疲労機械特性について未だ不明である。今回我々は多孔質銀焼成の薄膜試験片と銀膜の疲労試験を実施した。銀焼成膜は、高加圧条件(60MPa)で成膜し、空孔率は5％であった。疲労試験結果から、焼成膜の引張疲労強度は銀膜と比較して低下しやすいことが分かった。
ロームの高度な分析・解析技術により、PZT薄膜のドライエッチング中に起こる形態変化がPZTの結晶方位が変動する現象に起因することを突き止めた。
SiC,GaNのパワーデバイスを開発するだけでなく、それらを使いこなすための技術も伴わないと社会貢献することはできない。本講演では、アプリケーションの実例、それを支える設計技術、ノイズの予測について紹介する
The precise modeling of SiC MOSFETs are difficult by means of
conventional modeling method of Si devices because of the device
characteristics. Then, we invented the new modeling method for
SiC MOSFETs which can reproduce its switching behavior
precisely.
A 3-phase15kW using SiC MOSFETs and trans-linked topology
achieved maximum efficiency of 99.2%, and verified the benefit
of combining SiC MOSFET with trans-linked technology.
IoT社会では、モノやヒトの状態や変化をセンシングして得られるデータを収集し、生産性や環境の改善、安全や安心の向上、セキュリティの強化等のアプリケーションで活用している。本講演では、デバイスにフォーカスし、IoTアプリケーション事例を述べ、将来技術としてのエネルギーハーベスティングについても述べた。
電流形と電圧形を組み合わせたSiC-MOSFET用ハイブリッド形ゲート駆動回路の実機実験により、ターンオン損失が50%、ターンオフ損失が35%低減できることを実証した。
SiC-MOSFETを高速に駆動できるゲート駆動回路についての報告。本ゲート駆動回路は補助キャパシタを用いており、この補助キャパシタを介してゲートに通常よりも高い電圧を印加することができ、ゲート電流を増加させることができる。これにより高速にゲートを充放電し、スイッチング損失を低減できる。実測でもこの効果を確認し、本回路の優位性を実証した。
2018
This paper investigates the porosity-dependent tensile
mechanical properties of porous 8-10 μm thick silver films. The
silver films are fabricated by pressure press, the variety of
which changes the porosity (p) ranging 5% to 25%. p is
determined by use of scanning electron microscopy cross-section
images of the films. Stress-strain (S-S) curves are obtained by
tensile tests performed for the porous and bulk silver
films.Breaking strain and Ultimate tensile strengh decrease
almost linearly with increase of p.
SiC,GaNのパワーデバイスを開発するだけでなく、それらを使いこなすための技術も伴わないと社会貢献することはできない。本講演では、アプリケーションの実例、それを支える設計技術について紹介する
Workshop: Introduced RTD devices for THz communication and
sensing. With comparison with other terahertz device, RTDs are
compact and power-efficient.
接合層の機械特性を取得することが、信頼性システムを設計する上で非常に重要な要因となる。次世代接合材として注目される銀焼成は多孔質体でその機械特性が不明であった。今回我々は多孔質銀焼成の薄膜試験片と銀膜を用意した。また銀焼成膜は、加圧力を変化させて作成している。引張試験結果から、銀焼成は銀膜と異なって伸びずに破壊し、高加圧力条件で高強度を示した。
A number of IoT applications are rapidly growing. Among others,
smart factory, smart infrastructure and digital medicine/health
are major IoT markets. ROHM also succeeded in demonstration of
healthcare monitoring utilizing non-volatile PZT devices. The
essentials for IoT society and ROHM’s device applications of PZT
thin film were described.
ソースフィールドプレート構造を有するMIS構造のGaN-HEMTのスケーラブルなドレイン電流モデルと小信号ACモデルの開発を行った。実測のId-Vds特性、Id-Vgs特性、S11特性、H21特性と比較したところ、実測を再現できた。
A trans-linked 5kW interleaved inverter using SiC MOSFETs
drastically reduced both tansistor loss and reactor losses,
resulting in high efficiency over 99% and fanless operation.
The accurate electro-thermal simulation is presented by using a
new SiC die model to predict the power loss and temperature of
SiC MOSFET dies in a power module. The new model incorporates a
temperature dependent I-V model and body diode model which is
dependent on the gate-voltage. The simulation using the model
yields an accurate power loss and temperature estimate of the
SiC module in a buck converter.
S-parameter based simulation model for power module (PM) except
for the semiconductor chips was created with electromagnetic
simulation. This PM model was combined with the chip model in
order to build the model of the whole structure. As a result of
verifying the model by the double pulse test, the simulation
waveforms which reproduce the measurement results well were
obtained.
ROHM has developed PZT thin film devices, such as non-volatile
ferroelectric memory, highly-sensitive sensors, highly-accurate
actuators, high-speed space light modulators and
ultra-low-power-consumption non-volatile flip-flop devices so
far. ROHM also succeeded in demonstration of healthcare
monitoring utilizing non-volatile PZT devices (memory and
logic). In this presentation, ROHM’s device applications of PZT
thin film were described.
We have proposed a new hybrid structure of the PZT film which we
made by sol-gel method of construction on the PbTiO3 seed layer
made by rf magnetron sputtering. These hybrid PZT films showed
high (100)/(001) orientation and had high breakdown voltage.
電流形と電圧形を組み合わせたSiC-MOSFET用ハイブリッド形ゲート駆動回路を提案し、シミュレーションにてゲート電圧の安定性とスイッチング損失の低減ができることを確認した。
The high speed switching of SiC MOSFET is affected by the
parasitic elements of circuit board. Therefore, we analyzed the
impact of stray capacitance in circuit board on the switching
behavior and tried circuit simulation of the effect by use of
precise model and electromagnetic simulation results of circuit
board.
2017
Present the recent advance of RTD-based terahertz devices.
Based on a well-defined equivalent circuit model,
circuits like mixer, detector, and oscillators have
been integrated.
IoT社会におけるPZTデバイスの位置付けについて述べ、ロームのPZTデバイス技術（メモリからセンサ/アクチュエータ）を概観した。最近の取組み事例として、「不揮発ロジックデバイス」と「ピエゾMEMSデバイス」を紹介した。
This study report that a three-phase, 5-kW LLC series resonant
dc/dc converter utilizing SiC MOSFETs. The high-break down
voltage of SiC MOSFETs, enables increasing the input voltage up
to 800 V. Around 160kHz switchig frequency successfully reduces
the volume of isolation transformers. Current-balancing
transformers among each phases effectively suppress a peak
current from arising in the circuit and contributed that
miniaturizes the input and output capacitances. The proposed
power supply weighs 1.55 kg with dimensions including a width of
18 cm, a length of 12 cm, and a height of 12.5cm. The conversion
efficiency of the converter reaches 98.1% at 5-kW operation.
2016
本講演では、IoTにおけるセンサの重要性を示し、MEMSセンサ、及びIoT/ワイヤレスセンサネットワークについて述べ、更にはアプリケーション開拓に向けた検証としてのセンサソリューションについても述べた。
Progress In Electromagnetics Research Symposium 2016 China
これまで、SiCデバイスモデルを用いた回路シミュレーションは過渡特性が合わなかった。SiCを使用する上で問題になるEMCを考慮するためには過渡特性の再現が必要になる。そこで、過渡特性を合わせるために必要な高電圧・大電流領域の電流-電圧特性とデバイスON時の容量を計測する技術を開発し、その特性を考慮したSiCデバイスモデルを作成した。その結果、SiCデバイスの過渡特性を高精度に再現することに成功した。
IoT世界においては、トリリオンセンサに代表されるように大量のセンサがネットワークでつながり、暮らしの省エネから快適性・安全性を高めていく。本講演では、各種センサとセンサネットワークへの取り組み、ヘルスケアに必要な常時モニタリングについて紹介した。
2015
The self-sustained oscillations are sometimes obserbed when SiC
MOSFETs switch at high speed in the half bridge configuration.
The oscillation is regard as nonlinear self-excited oscillation
as a result of its device characteristics. We tried to analyze
it from the aspects of device characteristics of MOSFET and
trajectory of the oscillation in the I-V plane.
