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GaN on Si パワーデバイスの現状2009年1月23日

古河電気工業株式会社横浜研究所GaNプロジェクトチーム

野村剛彦池田成明神林宏新山勇樹賀屋秀介李江岩見正之佐藤義浩古川拓也加藤禎宏

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発表内容

はじめに

AlGaN/GaN HFETの開発動向

4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長

Si基板上AlGaN/GaN HFET高耐圧・大電流動作

電流コラプス低減

ノーマリオフ化：GaN MOSFETの開発動向

まとめと課題


はじめに


GaNの応用範囲

Wireless Base Station

Wireless

Broadband

Access

Solid-State

White Lightings

Information

StoragePower

Transmission

Line

Automotive

Electronics

Power

Conditioning

Lasers, LEDs

Microwave TransistorsPower Transistors

はじめに


GaNの物理定数

バンドギャップ大、絶縁破壊耐圧大

高耐圧、オン抵抗小、高温動作可能

Si SiC(4H) GaN

1.12 3.2Bandgap (eV) 3.4

1500 900Electron Mobility (cm2/Vs) 1700(2DEG)

3x105 2.5x106Breakdown Field (V/cm) 3x106

1x107 2.2x107Saturated Velocity (cm/s) 2.7x107

はじめに

1.5 4.9Thermal Conductivity (W/cmK) 2.0


GaNトランジスタのオン抵抗と耐圧

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

10 100 1000 10000

Breakdown Voltage [V]

Specific

On-r

esis

tance [W

cm

2]

Si 6H-SiC

4H-SiC

GaN

Siを上回る高耐圧・低抵抗トランジスタの可能性

はじめに


パワーデバイスのアプリケーション

Okumura, JJAP 2006,pp. 7565 - 7586

Thyristor GTO

IGBT

Bipolar

transistor

Power ICs

Telephone exchangers, PDP drivers

MOSFET

HVDCMachines

Railways

UPSs

Distributed power suppliers

EVs/HEVs

Motors, Inverters,

Air conditionersSwitching regulators

VTRs, Mobile phones

Operating Frequency (kHz)

Pow

er

Convers

ion C

apacity (

kV

A)

105

104

103

102

101

100

0.1 1 10 100 1000

Widegap

power devices

はじめに


電源回路の小型化

低オン抵抗・高温動作放熱器の小型化

高速スイッチング LC素子の小型化

Cooling Fin

Si FET

CPUReactor

Capacitor

FRD

GaN FET

はじめに


AlGaN/GaN HFETの開発動向概要

4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長Si基板上AlGaN/GaN HFET

高耐圧・大電流動作電流コラプス低減


基板価格大口径

化

基板の結晶

品質

GaNエピ成長熱伝導率

GaN × × △ 容易 ○

SiC × △ △ 比較的容易 ◎

a-Al2O3 △ △ ○ 比較的容易 ×

Si ◎ ◎ ◎ 難しい ○

GaNエピ用基板の比較

低コスト化低価格、大口径基板が必要だが…

GaN/Siはエピ成長の難易度大



0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

2.5E-03

3.0E-03

3.5E-03

4.0E-03

0 200 400 600 800

V [V]

I [A

/mm

]

Electrode distance 10mm

C:<5e16cm-3

C:8e18cm-3

*S.Kato et al. J. Crystal Growth, 2007.

Electrode

distanceFluorinert

GaN 500nm

Buffer layer

f4-Si(111) Sub.

Metal

Thickness

3.2mm

V (V)

I (

A/m

m)

Cドーピングによるバッファ層の高抵抗化


耐圧向上高抵抗バッファ層が必要

Cドープによる残留ドナーの補償


0

400

800

1200

1600

2000

0 20 40 60

電極間距離 (μ m）

GaN

層耐

圧(V

)Si基板

GaN

AlN 低抵抗領域GaN

バッファ層

Si基板（低抵抗）

電極電極

耐圧の電極間距離依存性

耐圧向上エピ厚膜化も必要

縦方向電界での破壊を避けるため

横方向の電界で破壊

縦方向の電界で破壊

総膜厚3.2mm


*S.Kato et al. ICMOVPE, 2008.


0

400

800

1200

1600

2000

0 20 40 60

電極間距離 (μ m）

GaN

層耐

圧(V

)

総膜厚5.2μm

総膜厚3.2μm

0

400

800

1200

1600

2000

0 2 4 6

エピ総膜厚　μ ｍ

GaN

層最

大耐

圧

エピ膜厚 vs GaN層耐圧

Si上GaNエピの耐圧は総膜厚に比例して増大

総膜厚5.2mmにおいて耐圧1700V以上を達成

パワエレ用スイッチングデバイスに適用可能

電極間距離30μｍ




RMS=0.368nm RMS=0.223nm

エピ総膜厚 2.3μｍエピ総膜厚 5.2μｍ

GaN表面のAFM像

膜厚5.2mm表面粗さ改善、ピット低減




0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

0 500 1000 1500 2000

Vds [V]

Ids [

A/m

m]

Lgd=15um

Lgd=10um

Lgd=5um

Lgd=20um

Vb=1630V

フロリナート中測定基板フローティング

Vgs=-6V

小素子オフ特性のLgd依存性

5.2um厚エピLg=2um

Wg=200um

厚膜化による高耐圧化の実現、破壊耐圧1630V

Si基板上AlGaN/GaN HFET

Ikeda et. al., IWN 2008


大素子(Wg=340mm)の特性

0

50

100

150

0 5 10 15

Vds(V)

Ids(A

)

Vgs=2V

1V

0V

-1V

-2V -3V

0.0E+00

1.0E-02

2.0E-02

3.0E-02

4.0E-02

5.0E-02

0 500 1000 1500

Vds[V]

Ids[A

]

Vgs=-6V

Lgd=15um

Vb=1.3kV

フロリナート中測定、基板フローティング

Lgd=15um

最大電流120A, 破壊耐圧1300V




電流コラプスについて

高電圧印加時、表面・バルクの深い準位にキャリアがトラップされ、瞬時に回復しない現象

オン特性・スイッチング特性の劣化を誘起

高出力、低損失化のために電流コラプスの克服が必須

推定原因>>(1)GaNバルク中の欠陥準位>>(2)AlGaN表面の界面準位

AlGaNS G D

PassivationFilm

undoped- GaN: 2DEG

: trap factors



電流コラプス改善の報告例

高電圧印加時におけるこれまでの報告 Si基板上:FP構造を用いて、600Vまでコラプス2倍程度S. Iwakami et al, JJAP, 46, (2007) L587.

サファイア基板上でS-FP,G-FP構造による改善W. Saito et al, IEEE Electron Device Letters, 28, (2007) 676.

本検討(池田他、応用物理学会2007秋, IWN2008)

サファイア基板上/Si基板上 AlGaN/GaN HFETのコラプス比較



Si基板上HFETのコラプス特性(エピ厚依存性)


Si基板(導電性)電界集中緩和

ただし、エピ厚大電界集中緩和の効果は減尐



ノーマリオフ化- GaN MOSFETの検討 -

Si基板上GaN MOSFETの特性例横型RESURF GaN MOSFET


GaN系MOS/MIS-FETの報告例~2005 2006 2007 2008

J. Kim et al.

(Florida U.)

Aug. 2002

MgO

Irokawa et al.

(Toyota R&D,

Florida U)

Apr. 2004

MgO

Huang et. al.,

(RPI)

IEEE EDL,

Oct. 2006

SiO2

m=167cm2/Vs

Otake et. al.

(Rohm)

JJAP

Jun. 2007

SiN/SiO2,

m=133cm2/Vs

Vth~5V

ノーマリオフ動作、良好な移動度が報告されている

Oka et. al., (Sharp)

IEEE EDL, Jul. 2008

SiN

m=120cm2/Vs

Vth~5.2V

Kambayashi et. al.,

(Furukawa)

IEEE EDL, Dec. 2007

SiO2

m=113cm2/Vs

Sugiurai et. al.,

(Nagoya U,

Panasonic)

Electronics Lett.,

Aug. 2007

HfO2

GaN on Sapphire

GaN on Si

新山他(古河)

電子材料研究会Nov. 2008

SiO2,

1500V / 2A

Kodama et. al.,

Toyota R&D

APEX,

Feb. 2008

SiN

GaN on GaN

Otake et. al.

(Rohm)

APEX

Jan. 2008

SiN/SiO2,


GaN on Si MOSFETの特性例

・n+領域をイオン注入・酸化膜形成後、900℃、30分アニール(N2)

界面準位低減

デバイス構造 Vgs-Ids特性(Lw=1.1mm)

Kambayashi et. al.,

MRS, Apr. 2008

・Vth~2V

・mFE=115cm2/Vs

Si基板上GaN MOSFETの特性例

n+ n+

GaN-based Buffer

Silicon Substrate

GaN: Mg

S DG SiO2

0.0E+00

2.0E-04

4.0E-04

6.0E-04

8.0E-04

1.0E-03

1.2E-03

1.4E-03

1.6E-03

-15 -10 -5 0 5 10 15

Gate Voltage (V)

Dra

in C

urr

ent

(A)

1.0E-14

1.0E-12

1.0E-10

1.0E-08

1.0E-06

1.0E-04

1.0E-02

1.0E+00

Dra

in C

urr

ent

(A)

Vds=0.1VLch=4 µm

・高耐圧化のためには、RESURF領域形成が必要

Vds-Ids特性(Lw=16mm)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 5 10 15 20

Drain Voltage (V)

Dra

in C

ure

nt

(A)

40.8 ohm-mm.

・アンペアクラス動作


RESURF-MOSFETの出力特性

2.5 A以上の動作を確認耐圧は1550 V(=77 V/um)以上

MgﾄﾞｰﾌﾟGaN

n+ n+RESURF

SiO2 (60 nm)

SG

Ti/Al Ti/Al

Ti/Au

Lch Lres

ｻﾌｧｲｱ (0001)c

Rs=23 kW/sq改善必要

D

0.2 um

Rs=41 W/sq, Rcon=1.1E-7 W-cm2ﾄﾞﾚｲﾝ電圧 (V)

ﾄﾞﾚｲﾝ電

流(A

)

室温

Lch＝4 um

Lres=20 um

Wg=150 mm

0 10 20 30 1500 1600 1700

3

2

1

0

3 um=4 um =20 um

([Mg]~5E16 cm-3)

新山他、電子材料研究会EFM-08-40

横型RESURF GaN MOSFET


Hybrid MOS-HEMT構造

RESURFの抵抗を下げる → AlGaN/GaN 2DEGを利用

Huang et. al., (RPI,Furukawa)

ISPSD08, May, 2008．

Vth=+6 V, RonA=20 mWcm2

Oka et.al.,Sharp

EDL 29 (2008) 668.

Vth=5.2 V, Ids > 200 mA/mm

横型RESURF GaN MOSFET


まとめと課題


まとめと課題

Si基板上デバイスの高性能化 AlGaN/GaN HFET

厚膜化による高耐圧：1300V x 120A

導電性基板によって電流コラプス低減：Ron1.3倍upto700V

GaN系MOSFET

mFE = 115cm2/Vs, Vth = 2V, 最大電流 3A以上

課題 AlGaN/GaN HFET

電流コラプス低減と高耐圧の両立

GaN系MOSFET

高耐圧・大電流化

共通して

信頼性、コスト


ご清聴ありがとうございました。

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