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高柳 智弘; 小野 礼人; 不破 康裕; 篠崎 信一; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 山本 風海; 小栗 英知; 金正 倫計; et al.
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.242 - 246, 2023/01
J-PARCでは、放電管のサイラトロンを用いたビーム取り出し用キッカー電磁石電源を代替する半導体短パルススイッチ電源、および既設のクライストロン電源システムを小型化・省電力化する半導体長パルス電源の高度化を進めている。キッカー用半導体スイッチ電源においては、誘導電圧重畳回路(LTD)方式を採用した40kV/2kA/1.2
sの実機仕様のユニット電源を製作し、必要な性能を確認した。そこで、本電源のメンテナンス性の向上と更なる安定化を目的とし、絶縁油を使わず、絶縁体構造のみでコロナ放電を抑制する高耐圧絶縁筒碍子の製作を進めている。また、クライストロン用半導体パルス電源においては、MARX方式を採用し、8kV/60A/830sの矩形パルス出力用主回路ユニットと、矩形波電流の一様性を10%から1%に改善する800V/60Aの補正回路ユニットを製作した。さらに、本MARX電源用に2.2kV/2.4kWの高耐圧SiCインバータ充電器を製作し、組み合わせ試験による特性評価を進めている。発表では各試験の評価結果と、パルス電源の半導体化について今後の展望を報告する。
小田 航大; 高柳 智弘; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 森下 卓俊; 飯沼 裕美*; 徳地 明*; 亀崎 広明*; et al.
Proceedings of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.610 - 614, 2023/01
J-PARCのキッカー電源は、取り出すビームのバンチ長に合わせ、フラットトップ幅が約1sの矩形パルスを数十nsの短時間で瞬間的に出力する。現在、放電スイッチのサイラトロンの代替を目的に、次世代パワー半導体を用いた新キッカー電源の開発を進めている。パワー半導体のスイッチ動作のタイミングは、外部からのトリガ信号の入力で決まる。そのタイミングの時間軸方向に対するブレ(ジッタ)が大きいと、出力パルスの再現性が低下し、ビームロスの要因となる不安定なビーム軌道偏位を引き起こす。そのため、キッカー用半導体スイッチ電源には、
1.0ns以下の高再現性を実現する低ジッタ回路が求められる。ジッタの成分にはトリガ信号の揺らぎと半導体スイッチ動作のばらつきが含まれる。そこで、制御回路を構成する種々のデバイスに対する評価試験を実施し、最適なデバイスの選定、かつ、温度とノイズ対策を施した低ジッタ回路の試験機を製作した。発表では、制御回路を構成するアナログ回路とデジタル回路のデバイスに対し、環境とデバイスの温度、サンプリングクロックの周波数、パルスエッジのブレに対する評価試験の結果と、構築した低ジッタ回路の構成について報告する。
高柳 智弘; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 杉田 萌; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.53 - 57, 2021/10
J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)キッカー電源を代替する半導体スイッチ電源の開発を進めている。パワー半導体の素子には、現在の主流であるシリコン(Si)製より高周波特性に優れ低損失なシリコンカーバイド(SiC)製の半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を採用し、回路基板の主要な部分は、低ノイズと低インダクタンスを実現した放射対称型のLinear transformer driver(LTD)回路で構成した。また、電源全体は、既存のキッカー電源の機能を有する回路に新たに追加する周回中の大強度ビームの誘導電流低減を目的として反射波吸収回路を1枚のモジュール基板で実装する主回路基板と、フラットトップの時間的一様性を要求仕様に合わせて補正する低電圧出力の補正基板の2種類の組み合わせで構成する。今回、1.7kVのSiC-MOSFETを使用した主回路基板を32枚と、100VのMOSFETによる補正基板を20枚使用し、キッカー電源として必要な定格40kVの出力を実現した。評価結果について報告する。
高柳 智弘; 小野 礼人; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計; 小泉 勲*; 川又 俊介*
JPS Conference Proceedings (Internet), 33, p.011020_1 - 011020_6, 2021/03
J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、ビーム加速後の取出しに使用するキッカー電磁石の電源に、真空管の一種であるサイラトロンを使用してきた。しかし、より高耐圧、低損失かつ、高周波特性に優れた次世代電力用半導体であるSiC-MOSFETを使用することにより、電源の安定動作,小型化、及び省エネ化の高度化を進めている。RCSキッカー電源で採用されているサイラトロンスイッチ、同軸ケーブルタイプのPFN回路、および、反射波吸収用のエンドクリッパー等の主要な回路は、パワー半導体と蓄積用コンデンサーなどを用いることで一枚の回路基板上に実装可能とした。この回路基板は、単一で800V/2kAを出力できるため、複数枚の回路基板を直列多段に積み重ねることにより、必要な高電圧パルスを出力する。回路設計の詳細と、40kV/2kAの目標仕様に対して半分の20kV/2kAの出力を達成した結果を発表する。
高柳 智弘; 小野 礼人; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 富樫 智人; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.25 - 28, 2020/09
J-PARCの3GeVシンクロトロン(RCS)キッカー電源を代替する半導体スイッチ電源の開発を進めている。パワー半導体の素子には、現在の主流であるシリコン(Si)製より高周波特性に優れ低損失なシリコンカーバイド(SiC)製の半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を採用し、回路基板の主要な部分は、低ノイズと低インダクタンスを実現した放射対称型のLinear transformer driver(LTD)回路で構成した。また、電源全体は、既存のキッカー電源の機能を有する回路に新たに追加する周回中の大強度ビームの誘導電流低減を目的として反射波吸収回路を1枚のモジュール基板で実装する主回路基板と、フラットトップの時間的一様性を要求仕様に合わせて補正する低電圧出力の補正基板の2種類の組み合わせで構成する。主回路基板は一枚で800V/2kA出力が可能であり、52枚の主回路基板と20枚の補正基板を用いて、RCSキッカー電源に必要な高電圧40kVとフラットトップ平坦度0.2%以下の出力試験に成功した。更に、既設のキッカー電源の実構成を想定した2並列回路による予備試験を実施した。評価結果と今後の展望について報告する。
高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜
Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012183_1 - 012183_7, 2019/12
被引用回数：0 パーセンタイル：0.06(Physics, Particles & Fields)J-PARC RCSの安定した運転を維持継続するための高度化研究開発の一つとして、キッカーシステムで採用しているサイラトロン代替用半導体スイッチ回路の開発を行っている。その中で、次世代半導体の一つであるSIC-MOSFETの半導体を用いた放射対称型回路は、多数の半導体スイッチが直列, 並列に多重化された構成である。この放射対称型回路では、全ての並列回路の長さが等しいため、タイミングジッタやレベル変化により出力波形が歪むことは原理的には無い。そのためこの回路は、超高速ショートパルスの波形の出力に有用である。本研究では、電力伝送回路を2重の円リング構造にすることで同軸形状とし、更なる低インダクタンス化を実現する回路を開発した。構造と出力波形から求めたインダクタンス値を比較した結果、約10%の低減を実現した。また、実試験にて計算と実測の比較検証を行い、開発した円リング構造が計算通り低インダクタンス化に有効であることを確認した。
高柳 智弘; 小野 礼人; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.75 - 79, 2019/07
サイラトロンやイグナイトロンなどの放電型スイッチを、より安定した動作を可能とする半導体スイッチに更新する高度化を進めている。キッカー電源で使用しているサイラトロンの代替スイッチとして、SiC-MOSFETを用いた800V/2kA出力のモジュール基板を製作した。高電圧出力用に積み重ねたモジュール基板間の電力伝送構造を同軸リング型とすることで、更なる低インダクタンス化を実現した。その結果、キッカーシステムに必要な立ち上がり250ns以下、フラットトップ1.0us以上を20kV/1kAで実現した。他方のイグナイトロンは、大電力クライストロンの短絡スイッチとして使用されているが、世界的に使用が制限される水銀を用いているため、今後生産中止になる可能性がある。LINACのクライストロン用短絡スイッチは、120kV/40kAを50usでの動作出力が必要である。今回は、MOSゲートサイリスタを用いた3kV/40kAのオーバル型モジュール基板を試作し評価をした結果、動作仕様を満足することを確認した。
高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海; 金正 倫計
Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.244 - 248, 2018/08
3GeVシンクロトロン加速器用パルス電磁石電源の高度化を目的とした超高電圧短パルススイッチ電源に関する発表を行う。現在主流のSi製のパワー半導体より高耐圧,低損失、かつ、高周波動作に優れた次世代パワー半導体のSiC-MOSFETを用いたスイッチ電源の開発を進めている。半導体のSiC化は、サイラトロン代替スイッチや省電力小型スイッチング電源の製品化を可能とする。しかし、J-PARC 3GeV-RCSキッカー電源で採用しているサイラトロンの仕様(80kV/4kA)を1モジュールで満足する製品は開発されていない。その為、パワー半導体を直並列に多重化した回路を構築する必要がある。また、キッカー電源に要求される高速短パルス波形の出力には、パワー半導体の性能向上とは別にインダクタンスや浮遊容量などの回路インピーダンスを考慮した設計がポイントになる。そこで、パワー半導体を同心円状に配列し全並列回路のインピーダンスを同値にできる円形の放射対称型回路を構築した。これにより、回路インピーダンスの差異に起因した波形歪みを抑制できた。本構造はLTD回路に採用されており、半導体新キッカー電源の開発には不可欠である。発表では、SiC-MOSFETを用いたスイッチ回路を放射対称型と一般的な線形対称型でそれぞれ構築し各出力波形歪みを評価した結果、LTD回路を採用した半導体新キッカー電源の予備試験の結果、更に、同じスイッチング回路でSi-IGBTとSiC-MOSFETを置換して損失を評価した結果を報告する。
横関 貴史; 阿部 浩之; 牧野 高紘; 小野田 忍; 田中 雄季*; 神取 幹郎*; 吉江 徹*; 土方 泰斗*; 大島 武
Materials Science Forum, 821-823, p.705 - 708, 2015/07
Since silicon carbide (SiC) has high radiation resistance, it is expected to be applied to electronic devices used in harsh radiation environments, such as nuclear facilities. Especially, extremely high radiation resistant devices (MGy order) are required for decommissioning of TEPCO Fukushima Daiichi nuclear reactors. The development of radiation resistant devices based on Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FETs is important since MOSFETs can easily realize normally-off and low-loss power devices. In this study, we irradiated vertical power 4H-SiC MOSFETs with gamma-rays up to 1.2 MGy, and investigated the recovery of their degraded characteristics due to thermal annealing up to 360 
C. The drain current (I
) - gate voltage (V
) curves of SiC MOSFETs shift to the negative voltage side and the leakage of I increased by irradiation at 1.2 MGy. After the irradiation, the MOSFETs were kept at RT for 240 h. By the RT-annealing, no significant change in the degraded electrical characteristics of SiC MOSFETs was observed. The degraded characteristics of SiC MOSFETs began to recover by annealing above 120 C, and their characteristics reach almost the initial ones by annealing at 360 C.
水田 栄一*; 久保山 智司*; 阿部 浩之; 岩田 佳之*; 田村 貴志*
IEEE Transactions on Nuclear Science, 61(4), p.1924 - 1928, 2014/08
被引用回数：95 パーセンタイル：99.22(Engineering, Electrical & Electronic)Radiation effects in silicon carbide power MOSFETs caused by heavy ion and proton irradiation were investigated. In the case of ions with high LET, permanent damage (increase in both drain and gate leakage current with increasing LET) was observed and the behavior is similar to the permanent damage observed for SiC Schottky Barrier diodes in our previous study. In the case of ions with low LET, including protons, Single Event Burnouts (SEBs) were observed suddenly although there was no increase in leakage current just before SEBs. The behavior has not been observed for Si devices and thus, the behavior is unique for SiC devices.
大島 武
放射線と産業, (105), p.12 - 18, 2005/03
炭化ケイ素(SiC)半導体素子の開発の現状を素子作製プロセス技術の観点からレビューした。素子作製プロセス技術としては、おもに高温不純物導入によるn型伝導SiCの形成技術及び水素燃焼酸化と酸化後熱処理の組合せによる界面特性向上技術について解説した。さらに、これらの素子作製プロセスを応用することで立方晶(3C)SiCエピタキシャル基板上に作製した金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の優れた電気特性、特に、世界最高チャンネル移動度,酸化膜の耐電圧について紹介した。
Laube, M.*; Pensl, G.*; Lee, K. K.; 大島 武
Materials Science Forum, 457-460, p.1381 - 1384, 2004/10
六方晶炭化ケイ素(6H-SiC)上に作製した金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のチャンネル内の電気特性とゲート酸化膜作製方法の関係をHall測定により調べた。その結果、水蒸気酸化により作製したMOSFETに比べ、乾燥酸素及び酸化後アルゴン中アニール処理したMOSFETの方がトランジスタ特性から見積もったキャリア移動度が高いにもかかわらず、Hall測定より見積もったキャリアの移動度は両者ともに60cm
/Vsと同程度であることが明らかとなった。さらに、しきい値電圧の温度依存性から界面準位の発生量を見積もったところ、水蒸気酸化したMOSFETの方が2倍多く発生していることが見いだされた。このことより、チャンネルに流れるキャリアの真の移動度は酸化膜作製方法によらず同じであるが、界面準位の発生によりキャリアがトラップされるためにトランジスタ特性により求めたキャリア移動度が小さく見積もられることが明らかとなった。
-ray irradiation大島 武; 伊藤 久義
Proceedings of the 6th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-6), p.191 - 194, 2004/10
炭化ケイ素(SiC)半導体を用いたpチャンネル金属-酸化膜-絶縁体電界効果トランジスタ(MOSFET)を高線量まで計測可能な線量計へ応用するために、線照射による電気特性の変化を調べた。pチャンネルMOSFETはn型六方晶(6H)SiCエピタキシャル基板上にフォトリソ技術を用いて作製した。ソース及びドレイン領域は800Cでのアルミイオン注入及び1800C,10分間の熱処理により形成した。ゲート酸化膜は1100Cでの水素燃焼酸化により作製した。線照射は0.1MR/hで、室温,印加電圧無し状態で行った。電流-電圧測定を行った結果、しきい値電圧は線照射により単調に負電圧側にシフトすることが明らかとなった。さらに、subthreshold領域のドレイン電流-ゲート電圧特性を解析することで線照射により発生した酸化膜中固定電荷及び界面準位を見積もったところ、固定電荷と界面準位は照射量とともに増加すること、及び固定電荷は1
10
/cm、界面準位は810/cmで飽和傾向を示すことを見いだした。また、チャンネル移動度は、線照射量の増加とともに減少する結果が得られた。これは、界面準位の発生によりチャンネルに流れるキャリアが散乱されることに起因すると考えられる。
大島 武; Lee, K. K.; 石田 夕起*; 児島 一聡*; 田中 保宣*; 高橋 徹夫*; 吉川 正人; 奥村 元*; 荒井 和雄*; 神谷 富裕
Materials Science Forum, 457-460(Part2), p.1405 - 1408, 2004/06
(001)立方晶炭化ケイ素(3C-SiC)ホモエピタキシャル膜上に作製した金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の電気特性とチャンネル方向([-110]方向に垂直,水平)の関係を調べた。その結果、両方のMOSFETともにしきい値電圧は-0.5V、チャンネル移動度は215から230cm/Vsと同様であることが見いだされた。このチャンネル移動度の値はこれまでに六方晶SiCでは達成されていない優れた値である。サブシュレショールド領域でのドレイン電流の値を調べたところ、[-110]に垂直のMOSFETは10
Aオーダーであるのに対し、[-110]に平行なMOSFETは10
Aオーダーと二桁も高いことが明らかとなった。これは、3C-SiC基板を[-110]方向にアンジュレーションをつけたSi基板にエピタキシャル成長するが、成長後にもその際の欠陥が残留し、伝導に影響するため[-110]に沿うように電流が流れる場合はリークが大きくなるためと考えられる。
Lee, K. K.; 大島 武; 伊藤 久義
Materials Science Forum, 433-436, p.761 - 764, 2003/08
pチャンネル炭化ケイ素(SiC)金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の線線量計への応用の可能性を調べた。SiC MOSFETは、n型エピ基板へ800
でアルミニウム(Al)イオンを注入後、アルゴン(Ar)中で1800,1分間熱処理することでソース,ドレイン領域を形成し、1100での水素燃焼酸化によりゲート酸化膜を作製した。ソース,ドレインのAl電極は蒸着後にAr中で850,5分間熱処理することでオーミック化した。線照射は室温で1MR/hの線量率で行った。照射によるしきい値電圧(V
)の変化と線量(D)の関係を解析した結果、Vの変化はKD
,K=-6.4,n=0.39で表せることを見出した。
大島 武; Lee, K. K.; 石田 夕起*; 児島 一聡*; 田中 保宣*; 高橋 徹夫*; 吉川 正人; 奥村 元*; 荒井 和雄*; 神谷 富裕
Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 42(6B), p.L625 - L627, 2003/06
被引用回数：39 パーセンタイル：77.38(Physics, Applied)炭化ケイ素(SiC)半導体は、大電力・高周波素子への応用が期待されているが、結晶成長や素子作製技術が確立しておらず、実用化への課題となっている。特に、金属-酸化膜-半導体(MOS)電界効果トランジスタ(FET)のチャンネル移動度の向上は実用化に不可欠となっている。これまで、結晶作製技術の問題より六方晶SiCが主な研究対象であったが、近年、立方晶SiC(3C-SiC)の厚膜化が可能となり、その厚膜を基板とすることでホモエピタキシャル成長を行うことが可能となった。本研究では、化学気相法により1650Cでホモエピタキシャル成長させた立方晶SiC上にMOSFETを作製した。MOSFETのソース,ドレイン領域は800Cでのイオン注入及び1650Cで3分間のAr熱処理することで作製し、ゲート酸化膜は1100Cでの水素燃焼酸化により形成した。電気特性よりチャンネル移動度を見積もったところ260 cm/Vsという非常に優れた値が得られた。また、酸化膜耐電圧を計測したところ絶縁破壊開始電界が8.5MV/cmというほぼ理想値を得た。
lrradiated p-channel 6H-SiC MOSFETs; High total doseLee, K. K.; 大島 武; 伊藤 久義
IEEE Transactions on Nuclear Science, 50(1), p.194 - 200, 2003/02
被引用回数：27 パーセンタイル：84.34(Engineering, Electrical & Electronic)六方晶炭化ケイ素(6H-SiC)エピタキシャル基板上にpチャンネルの金属-酸化膜-半導体 電界効果トランジスタを作製し、線照射による特性の変化を調べた。線照射は室温,印加電圧無しの状態で10
rad(SiO
まで行った。その結果、しきい値電圧は線量の増加とともに負電圧側にシフトすること、チャンネル移動度は10
rad以上の線量で低下していくことが明らかになった。チャンネル移動度をnチャンネルSiC MOSFETと比較すると一桁程度早く低下するが、Si MOSFETと比較すると約100倍の放射線耐性があることが見出された。電流-電圧特性のsubthreshold領域を解析することで界面準位,酸化膜中固定電荷の発生量を見積もったところ、界面準位の発生とともにチャンネル移動度が低下することが見出された。同様な解析をnチャンネルSiC MOSFETとSi MOSFETにも行ったところ、pチャンネルSiCも含め全てのMOSFETのチャンネル移動度と界面準位の発生量には同一の関係があり、チャンネル移動度の低下の機構は界面準位発生量で説明できると帰結できた。
Lee, K. K.; 大島 武; 伊藤 久義
Proceedings of 5th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications, p.73 - 76, 2002/10
六方晶炭化ケイ素(6H-SiC)エピタキシャル基板上にnチャンネル及びpチャンネルの金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を作製し、線照射効果を調べた。照射は室温で行い、電気特性の変化を調べた。その結果、nチャンネルMOSFETは200Mrad(SiO)まで、pチャンネルMOSFETは10Mrad(SiO)まで特性の変化は見られず、優れた耐放射線性を示した。sub-thershold特性を解析することで、線照射により発生する酸化膜中固定電荷,界面準位を見積もった。その結果、nチャンネルに比べpチャンネルの方が、これらの欠陥が多量に発生することが明かとなり、この結果としてpチャンネルの方が早く特性劣化が生ずると帰結できた。
Lee, K. K.; 大島 武; 伊藤 久義
Materials Science Forum, 389-393, p.1097 - 1100, 2002/05
ゲート酸化膜を水素燃焼酸化で作製したnチャンネル及びpチャンネルエンハンスメント型6H-SiC 金属-酸化膜-半導体 電界効果トランジスタ(MOSFET)特性の線照射による変化を調べた。線照射は室温にて8.8kGy(SiO)/hで行った。ドレイン電流(I)-ドレイン電圧(V)特性の直線領域よりチャンネル移動度を、ドレイン電流(I)-ゲート電圧(V)特性よりしきい値電圧を求めた。チャンネル移動度は、nチャンネルMOSFETでは1MGy(SiO)照射後も未照射と同等の値が得られ優れた耐放射線性が確認された。pチャンネルでは40kGy程度の照射によりチャンネル移動度が一時増加し、その後減少するという振る舞いを示した。これは、照射により発生した界面準位の電荷が未照射時に存在する界面準位の電荷を見かけ上補償したためと考えられる。しきい値電圧に関しては、nチャンネルでは照射による変動が0.5V程度と安定した値であったが、pチャンネルでは照射量の増加とともに負電圧方向へシフトし、1MGy照射により5V以上の変化を示した。
大島 武; Lee, K. K.; 大井 暁彦; 吉川 正人; 伊藤 久義
Materials Science Forum, 389-393, p.1093 - 1096, 2002/05
ゲート酸化膜を水素処理(700)または水蒸気処理(800)することで初期特性を向上させた六方晶炭化ケイ素(6H-SiC)金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)に線を照射を行い、電気特性(しきい値電圧(V),チャンネル移動度())の変化を調べた。線照射は線量率8.8kGy(SiO)/h,室温,印加電圧無しの条件で行った。水素処理MOSFETでは、未照射で0.9VであったVが530kGy照射後には3.1Vまで増加した。また、は60kGy照射により減少し始めた。一方、水蒸気処理MOSFETでは、未照射で2.7VであったVは530kGy照射後も3.3Vであり、変化量は0.6V程度と小さかった。に関しては、180kGyの照射により減少し始め、水素処理MOSFETに比べ優れた耐放射線性を有することが見出された。さらに、subthreshold特性の照射による変化から界面準位・固定電荷の発生を調べたところ、水素処理MOSFETの特性劣化は界面準位の増加に伴いが減少することで解釈できるが、水蒸気処理MOSFETでは多量の界面準位が発生する照射量においてもの減少が見られなかった。これより水蒸気処理MOSFETの酸化膜及び界面は水素処理MOSFETと異なることが示唆される。
