高耐圧ganパワーデバイス開発 - astf.or.jp ·...
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2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GaNの特長とパワーデバイス応用に向けての課題
GaNパワーデバイスの低コスト化技術
大面積Si上MOCVD結晶成長技術
Si上大電流AlGaN/GaNパワーHFET
GaNパワーデバイスのノーマリオフ動作
伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ
- Gate Injection Transistor (GIT)
超高耐圧GaNパワーデバイス
10000V耐圧AlGaN/GaN HFET
まとめ
講演内容
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GaN系半導体の特長 – Si, GaAs との比較 -
400
300
200
100
0100
10
1.21.0
0.80.6
0.4
動作温度←ワイドギャップ
高ポテンシャル障壁
(℃)
最大発振周波数(fmax)←高飽和電子速度低寄生容量
(GHz)
雑音指数(NF)←低キャリア散乱
低RF損失(dB)
絶縁破壊電界←ワイドギャップ
(V/um)
最大電流(Imax)← 高キャリア濃度
高電子速度
(A/mm)
200
150
100
50
GaNGaAs
Si
パワー応用 RF応用
パワー応用
パワー応用
RF応用
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GaNパワーデバイスの技術課題
低コスト化
現状のSiパワーデバイスを置き換えるためには低コスト化が必要
GaNデバイスでは基板コストが大きな割合を占める
ノーマリオフ動作の実現AlGaN/GaNヘテロ接合においては分極のためアンドープでも
高いシートキャリア(~1x1013cm-2)が発生
ノーマリオフと大電流の両立が困難
さらなる高耐圧化の実証これまでの最高耐圧は1900VにとどまりGaN材料のポテンシャルを
十分に引きだせていない
大口径Si基板上への結晶成長
新動作原理ノーマリオフデバイス(GIT)
新たな高耐圧デバイス構造
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GaNの結晶成長に用いられる基板
■ GaNでは異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長を行う必要がある
■ 結晶性とコストにトレードオフが存在
■ Si基板はコスト・放熱の点で有望だが、これまではGaNの結晶性が課題
3.84
4.76
(2.74)
3.07
3.19
格子定数
(A)
3.59
7.70
4.20
5.45
熱膨張係数
(10-6/K)
1.5109 -10100.5万円@6インチ
(30円/cm2 )Si
0.41095万円@4インチ
(600円/cm2 )サファイア
4.5107-10850万円@2インチ(25,000円/cm2 )
SiC
2.2105-106100万円@2インチ(50,000円/cm2 )
GaN
熱伝導率
(Wcm/K)
GaNの
転位密度
(cm-2)
基板価格基板材料
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
Si基板上AlGaN/GaN HFET構造
X線回折パターン
■ 良好な周期性を確認
Si(111)基板
AlNAlGaN
GaN
超格子バッファ層
AlN
GaN
圧縮歪
格子定数: Si>GaN>AlN熱膨張係数: Si<GaN<AlN
応力緩和
MOCVD エピタキシャル構造
■ AlGaN/AlN 初期成長層
■ GaN/AlN多層膜による応力緩和
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
33 34 35 36
2θ(deg.)
X-r
ay In
tens
ity (a
rb. u
nits
)
GaN
0
-1-2
-3
+1+2
+3+4
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
0
1000
2000
3000
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Distance from Center (mm)
Hal
l Mob
ility
(cm
2 /Vse
c)Si上HFETエピタキシャル構造の面内均一性
移動度・シートキャリア濃度の面内分布
■ 移動度 1653 cm2/Vsec
0
1
2
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Distance from Center (mm)Sh
eet C
arrie
r Con
cent
ratio
n (x
1013
cm
ー2 )
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
Si基板上大電流AlGaN/GaNパワーHFET
チップ写真(Wg= 500mm)
Gate Drain
5.6mm2.
8mm
Surface Source Via
Al0.26Ga0.74NGaNBuffer
Sisub.Surface Source Via
Al0.26Ga0.74NUn-GaNAlN Buffer
Silicon SubstrateSource
Drain
GateDrain Drain
ソースビア接地FET構造
断面SEM写真
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
大電流AlGaN/GaNパワーHFETのDC特性
BVoff: 350V Ron: 19.8mΩ(Ron·A: 1.98mΩcm2)
Vgs=0V
-1.5V
-2.0V
-2.5V
-1.0V-0.5V
Vgs=-3.0V
■ 高耐圧・低オン抵抗を実現
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GaNパワーデバイスのノーマリオフ動作
伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ
- Gate Injection Transistor (GIT)
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
AlGaN
AlGaNscbAlGaNcbp
dqNEVEVεε
φφ0
−Δ−=−Δ−=
)()()( 11 GaNPNGaAlPNGaAlP SPxxSPxxPE −+= −−σ
[ ]cAlGaNAlGaNs EEeedeN Fb Δ−+−+= φεεσ )/(/ 2
0
O.Ambacher et al, J.A.P. vol.85, no.6, p.3222, 1999
AlGaN薄層化、Al組成の低減
→ ドレイン電流の減少
フッ素添加
→ Fの安定性確認が必要
従来のノーマリオフ化技術
PPE: Piezoelectric polarization
PSP: Spontaneous polarization
ΔECEF
EC
-σAlGaN
+σAlGaN
-σGaN
+σGaN
NS(GaN)
2DEG
Al0.25Ga0.75N GaN
-5.1x10-6 Ccm-2
5.1x10-6 Ccm-2
-2.9x10-6 Ccm-2
>1x1013 cm-2
Schottky metal
0-
+ 2.9x10-6 Ccm-2
PSP(AlGaN)
PPE(AlGaN)
PSP(GaN)
σ : Fixed charge
Band diagram
Charge distribution
従来のノーマリオフ型AlGaN/GaN HFET
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
新規ノーマリオフ型GaNトランジスタ - GIT -
Gate
p-AlGaNi-AlGaN
i-GaN
Source Drain
■ノーマリオフ化
p型ゲートによりチャネルのポテンシャル障壁を増加
■低オン抵抗化
p型ゲートからチャネルへホール注入
伝導度変調によりオン抵抗低減
Gate Injection Transistor (GIT)
μh << μe
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GITにおけるノーマリオフ化
バンド図
■ノーマリオフ化p型ゲートによりチャネルのポテンシャル障壁を増加
- 4- 3- 2- 101234
- 0 .3 - 0 .2 - 0 .1 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4
D e p th [ u m ]
Ene
rgy
[eV
]p-AlGaN
i-AlGaNi-GaN
GateOhmic
EV
EF
EC
GateOhmic p-AlGaN i-AlGaN i-GaN
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GITの動作原理
Vg = 0V
P型ゲートがゲート下チャネルを空乏化
↓ドレイン電流が流れない
Vg > Vf of GaN-PN junction
ホール注入↓
電子発生↓
ドレイン電流増大(conductivity modulation)
i-AlGaN
i-GaN
Vgs
0V
5Von
off
Vgs
p-AlGaN
off
Gate
Source Drain
on
+ + + +
- -- - - - -- -- ----- --- - -
+ + + +
-
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
0
50
100
150
200
250
300
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6Vgs (V)
Ids
(mA
/mm
)
0
20
40
60
80
100
120
gm (m
S/m
m)
Ids (GIT)
ホール注入により2つめのgmピークが発生
gm (GIT)
Lg=2µm, Lgd=7.5µm
gm (MESFET)
Ids (MESFET)
GITとMESFETのIds-Vgs特性比較
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
・しきい値電圧 Vp : +1.0V・最大ドレイン電流 Imax : 200mA/mm・オン抵抗 RonA : 2.6mΩcm2
・オフ耐圧 : 800V
GITのDC特性
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10Vds [V]
Ids
[mA
/mm
] Vgs=5V
Lg=2µm, Lgd=7.5µm
Vgs=4V
Vgs=3V
Vgs=2V
Vgs=1V
Vds (V)
Ids
(mA
/mm
)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 200 400 600 800 1000
Vds[V]
Ids[
mA
/m
m]
Lg=2µm, Lgd=7.5µmVgs=0V
Vds (V)
Ids
(mA
/mm
)
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
GIT オン抵抗 - 耐圧 特性
102 103 10410-1
10 0
10 1
10 2
Breakdown voltage (V)
Spe
cific
On-
Res
ista
nce
Ron
A(m
Ωcm
2 )
GaN Limit
This workGIT
Si Limit
Si Super Junction MOSFET
Si IGBT (commercial)
GaN HFET(normally-off)
[3]
[4]
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
AlGaN/GaN HFET高耐圧化に向けての課題
基板
バッファ層
i-AlGaN
i-GaN
ソース ドレインゲート
フィールドプレートSiN
Passivation
高電圧
高電界
Y. Dora, et alEDL, vol.27, pp713, 2006N. Tipirneni, et al EDL, vol.27, pp716, 2006
0 5 10 15 20
500
1000
1500
2000
Lgd (μm)B
reak
dow
n Vo
ltage
(V)
これまでに報告されている耐圧とLgdの関係フィールドプレートを有する高耐圧AlGaN/GaN HFET
■ フィールドプレート構造により高耐圧化が可能
■ これまでの報告では耐圧は最高で1900Vにとどまる
■ パッシベーション膜での絶縁破壊により耐圧が低下している可能性あり
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
超高耐圧AlGaN/GaN HFET
サファイア基板
バッファ層
i-AlGaN
i-GaN
ソース
フィールドプレート
ゲート
ドレイン
厚膜AlNパッシベーション
SiN
高電界
サファイア基板へのビアホール
超高耐圧 AlGaN/GaNHFETの断面図
■厚膜多結晶AlNパッシベーション
従来のSiNと比較して大きな絶縁破壊電界強度
高い熱伝導率(SiNの200倍以上)
ドレイン電流増加・電流コラプス抑制
■サファイア基板へのビアホール形成
高電圧配線を排除しよりコンパクトなチップレイアウトを実現
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
0 100 200 300 400 500 600
Voltage [V]
Curr
ent
[A/cm
2]
SiN 1μm
AlN 1μm
AlNによる絶縁破壊電界の向上
3.7MV/cm
5.7MV/cm
MIM(Metal-Insulator-Metal)構造の電流-電圧特性
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
SiN
AlN180
230
280
330
0 2 6 10
Max
. tem
pera
ture
(℃
)Thickness (µm)
1304 80-2 2
position (µm)4-4
180
230
330
Tem
pera
ture
(℃
)
130
AlN: 500nm 1µm2µm5µm
10µm
S G D
280 SiN:500nm ~ 10µm
2DEGでのチャネル温度分布 最大チャネル温度のパッシベーション膜厚依存性
AlNによる放熱改善 ー シミュレーション結果
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
AlN thickness (µm)
0Ther
mal
res
ista
nce
, Rth
( ℃
/W)
1 2 3 40
4
8
12
16
20
AlN
SiN
Wg : 4.8mm
AlNによる熱抵抗低減
熱抵抗のパッシベーション膜厚依存性
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
サファイア
バンドギャップ9eV
価電子帯
導電帯
レーザドリルによるサファイアへのビアホール形成
多光子吸収(Multi-photon
ionization)
レーザドリルSEM写真
高出力短パルスレーザ照射 金メッキ裏面研磨裏面電極形成
ビアホール形成プロセス
■ 高出力短パルスレーザ照射によって生じる多光子吸収・レーザアブレーションを
利用し熱的・化学的に非常に安定なサファイア基板にビアホールを形成
Depth=250μm
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
ソース
サファイア基板
ソース
ゲート SiNAlN
ゲート
i-AlGaN i-GaNバッファ層
ドレイン
超高耐圧 AlGaN/GaN HFETの構造
ドレイン
ソース
ビア ゲート
ソー
ス
ゲー
ト
断面構造
チップレイアウト
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
Source
Drain
Via-hole
Gate
1mm
断面SEM写真チップ写真
作製した超高耐圧AlGaN/GaN HFET
source
gate10μm
sapphire
AlN-buffer
AlGaN/GaN
Poly-AlNSiN
5μm
Source-FP
Gate-FP
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 20 40 60 80 100 120 140Lgd [um]
Brea
kdow
n V
olta
ge [
V]
オフ耐圧のゲート-ドレイン間距離(Lgd)依存性
Thick poly-AlNPassivation
SiN Passivation
Vg= -5V
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Drain Voltage [V]
Dra
in C
urre
nt [
mA
/mm
]
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0 5 10 15 20
Drain Voltage [V]
Dra
in C
urre
nt [A
/mm
] Vgs= 1V
-1V
-2V
-3V
-4V
Lg=2µm, Lgd=125µm
0V
Drain Voltage [V]
Dra
in C
urre
nt [
A/m
m] Lg=2µm, Lgd=125µm
Vgs= -5V
Drain Voltage [V]
Dra
in C
urre
nt [
mA
/mm
]
10400V
RonA=186mΩcm2 BVds=10400VImax=150mA/mm Vp= - 4.0V
超高耐圧HFETのDC特性
2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会
10 2 10 3 10 410-1
10 0
10 1
10 2
Breakdown voltage [V]
Spe
cific
On-
Res
ista
nce
Ron
A [m
Ωcm
2 ]
10 5
10 3
10 4
Si Limit
Si Super Junction MOSFET
Si IGBT GaN Limit
GaN HFETNormally-On
This WorkUHV-HFET
超高耐圧AlGaN/GaN HFET オン抵抗 - 耐圧 特性
GaN HFETNormally-Off
GITNormally-off