gan on si パワーデバイスの 現状 ganエピの耐圧は総膜厚に比例して増大...
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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
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はじめに
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長
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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
4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長
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
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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
4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長
*S.Kato et al. ICMOVPE, 2008.
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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
4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長
*S.Kato et al. ICMOVPE, 2008.
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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
4インチSi基板上GaNエピ厚膜成長
*S.Kato et al. ICMOVPE, 2008.
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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
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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
Ikeda et. al., IWN 2008
Si基板上AlGaN/GaN HFET
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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
Si基板上AlGaN/GaN HFET
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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AlGaN/GaN HFET
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Si基板上HFETのコラプス特性(エピ厚依存性)
Ikeda et. al., IWN 2008
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
Si基板上AlGaN/GaN HFET
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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
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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,
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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
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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ドープ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ドレイン電圧 (V)
ドレイン電
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
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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
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まとめと課題
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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
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ご清聴ありがとうございました。
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