international rectifier co., ltd...1 “ganデバイスの技術と応用” international rectifier...

11

“ＧａＮデバイスの技術と応用”

International Rectifier Co., LtdTim McDonald

インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン株式会社

藤原エミリオ

2011年3月10日

2

概要

• なぜ今GaNデバイスなのか?

• 「GaNベース・パワー・デバイス」とは?

• GaNベース・パワー・デバイスの商品化の障壁はなにか?

• IRの GaNpowIRTMテクノロジは、どのようにその障壁を乗り越えたのか?

• IRのGaNベース・パワー・デバイスのパフォーマンス

• GaNpowIRTM製品のリリース : iP2010

3

パワー・デバイスによるパワー・エレクトロニクスの発展

スイッチング電源の製品化を加速

高集積化により高密度かつ、

高効率の電力変換

4

飛躍的にパワー・デバイスのFOMを改善

Si, SiCとGaNのRon 比較

臨界電界 : Si = 20V/μm, GaN = 300V/μm

測定値

Ref: N. Ikeda et.al. ISPSD 2008 p.289

4H-SiC Limit

5

パワーデバイス用の材料

Si, SiC および GaNの諸特性

* AlGaN / GaN 2DEG ( H. Kawarada, ISPSD 2004 Short Course p.32)

• ワイドバンドギャップ材料高温動作• 絶縁破壊電界高BV• 電子移動度（2DEG）低オン抵抗• 飽和電子速度高速Velocity

Higher speed

1.54.91.5熱伝導率（W/cm K)4.E+072.E+071.E+07飽和電子速度(cm/s）

～1800 *～500～500電子移動度(cm2/Vs)32.20.3Ec(Mv/Cm)

3.431.1Eg(eV)GaN４H-SiCSi特性

6

GaN商品化

GaNデバイスの商品化への条件

• 性能対コスト : Epi + 基板 < $3/cm2

• 漏れ電流 < 1µA/mm, Ion/Ioff > 107

• 2DEG移動度 > 1800cm2/Vs• クラック・フリーepi とアクティブ領域の欠陥フリー

• 歩留まり >80% （10mm2）

• Ron, RQ, Isat, Vp, Ileak が安定していること

• 大口径epi の反り < 50µm • 大量生産（ > 10Kウエハー/週）Siウエハー工場適合

• 供給: >106年間｛150mm ウエハー相当（マーケットの10%）｝

7

GaNpowIRTM : 紹介

• 製品化可能なパワー・デバイスのプラットフォーム

• GaN-on-Si ヘテロ・エピタキシャル膜がベース

• 低コスト化に効果の高い150mmウエハー

• デバイスの製造工程はCMOSと互換性あり

• 業界標準の大量生産のプロセス

• 業界の標準的な品質システム

• 新素材特有の信頼性評価を実施

• 業界の標準的な信頼性試験を適用

8

HEMT-FETの構造

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Measureda

Calculated

2DEG

Den

sity

(1013

/cm

2 )

X (Al fraction)100 200 300 400

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5 GaN=1.0 eV

Schottky/AlxGa(1-x)N/GaN

x=.35 x=.25 x=.15

2DEG

Den

sity

(1013

/cm

2 )

AlGaN Thickness (A)a J. Van Hove, SVTA & J. Redwing, ATMI

9

GaN Epi成長用基板の選定

From R. Korbutowicz, et al. Crystal Res. Technol 40, No 4/5, 503-508 (2005)

Man

age

Stra

in

Manage Defects

10

GaN Epi成長用基板の選定

シリコンが生産性とコスト面で他の材料より優れている

＜＄0.5/c㎡＞＄20/c㎡＞＄5/c㎡コスト

○（6”→＞12”）△（4”→6”）△（6”→8”）基板サイズ

○（既存の生産ライン）△△量産

○ 良質な結晶△ 基板の欠陥△材料の品質

△○×熱伝導

×△×結晶方位

×△○熱膨張係数

SiSiCサファイア

11

IR社のGaNヘテロ・エピタキシャル

12

IR社の大型チップの伝達特性

Ion/Ioff > 1012

Gmax > 300 S

Ig < 100 nA

Wg=850mm, Lg=0.3µm

13

オン抵抗が-40℃から125℃で2倍に変化

デバイスの特性（続き）

14

低電圧HEMTのオフ特性

Lg=0.3µm, Wg=850mm

Idrain(A/mm) 0.00E+001.00E-082.00E-083.00E-084.00E-085.00E-086.00E-087.00E-088.00E-089.00E-081.00E-07

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Vg=-7V Vg=-20V

Vdrain (V)

Idra

in(A

/mm

)

15

0.0E+00

2.0E-07

4.0E-07

6.0E-07

8.0E-07

1.0E-06

1.2E-06

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0

200

400

600

800

1000

5 7 9 11 13 15 17 19

Lgd(um)

Brea

kdow

n Vo

ltage

(V)

高電圧HEMTのオフ特性

Ion/Ioff(600 V) > 106

Vg=-10V , I BV = 0.1 uA / mm

( Wg=100mm, Lg=2µm)

16

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20 25

I

D

(A)

VDS (V)

Vg=0V to -3.5V, step size=0.5V

600Vデバイスの出力特性

Wg=100mm, Lg=2µmId

（A

）Ion/Ioff(600V) > 106

Vceon*Ets (Si/GaN) > 4

17

スイッチング波形比較 : GaN HV vs. Super Junction

dIF/dt = 235A/µsdV/dt = 6.8V/nsVR = 300VIF = 6A

EOFF = 43µJ

Time : 20ns/div.ID : 1A/div.VD : 50V/div.

TRR = 18.5nsIREC = 4.8A

-dIF/dt = 300A/µsdV/dt = 14V/nsVR = 300V

TRR : 10ns/div.IREC : 2A/div.VR : 50V/div.

TRR = 270nsIREC = 52A




EOFF = 67.5µJ


GaN HV Super Junction

18

スイッチング波形比較 : GaN HV vs. IGBT（NPT）


EOFF = 43µJ


TRR = 18.5nsIREC = 4.8A



TRR = 70nsIREC = 8.4A

-dIF/dt = 400A/µsdV/dt = 8.3V/nsVR = 300V



EOFF = 135µJ


GaN HV IGBT（NPT)

19

600 V スイッチング波形比較

スイッチ :GaN Eoff (Off スイッチングロス) はIGBTより72%少ない

Rectifiers:GaN整流素子はIGBTcopackのボディダイオードのQrrに比べて1/20、Super Junctionに比べて1/200．

20

1

3

5

7

9

11

13

15

17

0 100 200 300 350 400

Epiの改善により350V以上でのダイナミックRds(on) の改善

600V ダイナミック Rds(on) の改善

スト

レス

後/ ス

トレ

ス前

Rds

(on)

比

Voltage

2007

May 2010August 2010

21IR Company Confidential 21

HVカスコードのGaNスイッチ

特徴:• ノーマリ・オフ動作

• シリコン比でFOMが10倍

Siスイッチと比較:• 低リカバリ損失

• 低オン抵抗と低Qg（パッケージの小型化）

• 低EMI

4

D

S

4

G

22

FET Vp / Rds(on) / Qg / FOM分布

23

FET Igss / Idss分布

2424

高温逆バイアス試験結果（HTRB）

• 152個のデバイスを平均4025時間試験

• 612Kデバイス・アワーで不良ゼロ

• パラメータの安定性

0302434LGALot4

0352838LGALot3

0420040LGALot2

0436840LGALot1

不良数時間サンプル数パッケージウエハー・ロット

2525

Rds(on)安定性 : 高温逆バイアス試験（HTRB）

1.500

1.600

1.700

1.800

1.900

2.000

2.100

2.200

2.300

2.400

2.500

016

833

650

467

284

010

0811

7613

4415

1216

8018

4820

1621

8423

5225

2026

8828

5630

2431

9233

6035

2836

9642

0043

68

R DSO

N in

mO

hms

Test Hours

HTRB Vds= 14.5V, Vgs= -7V, T= 150CLot 1, RDSON @ 5A

2626

Igss安定性 : 高温逆バイアス試験（HTRB）

10.0E-920.0E-930.0E-940.0E-950.0E-960.0E-970.0E-980.0E-990.0E-9

100.0E-90

168

336

504

672

840

1008

1176

1344

1512

1680

1848

2184

2352

2520

2688

2856

3024

3360

3528

3696

3864

4200

4368

IGSS

in A

mps

Test Hours

HTRB Vds= 14.5V, Vgs= -7V, T= 150C Lot 1 IGSS @ -7.5V VGSS

27

Idss安定性 : 高温逆バイアス試験（HTRB）

28

高温ゲートバイアス試験結果（HTGB）

0302435LGALot50302420CDIP28Lot40352840LGALot30336820CDIP28Lot30436840LGALot20436820CDIP28Lot20436840LGALot10436820CDIP28Lot1

不良数時間サンプル数パッケージウエハー・ロット

Vgs=-8.5V, T=150℃

> 7,000,000 Device Hours Reliability, to > 9000 hrs/device

2929

Vp安定性 : 高温ゲートバイアス試験（HTGB）

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.5000

168

336

504

672

840

1008

1176

1344

1512

1680

1848

2016

2184

2352

2520

2688

2856

3024

3192

3360

3528

3696

3864

4200

4368

VP in

Vol

ts

Test Hours

HTGB Vgs= -8.5V, 150CLot 1 VP @ 15 mA

30

10.0E-9

20.0E-9

30.0E-9

40.0E-9

50.0E-9

60.0E-9

70.0E-9

0 24 168 336 504 672 840 1008 1176 1344 1512 1680 1848 2016 2184 2352 2520 2688 2856 3024

IGSS

( Vg

s= -7

.5V)

in A

mps

Test Hours

HTGB at 150C and Vgs=-50V

Igss安定性@ -50V : 高温ゲートバイアス試験（HTGB）

31

逆ピエゾ効果の問題がない

TEM画像 : • HTRB ( Vd=26V, Vg=-14V at 150C ) > 3000hrs•同Vd= 34V, Vg=-22V at 150C > 600hrs•同HTGB of -50V for > 3000hrs

3232

MCMソリューションの例

低電圧（30V）ハーフ・ブリッジ回路 BT基板

33

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 250 500 1000

RD

SON

in m

Ohm

s

Test Hours

Temp Cycling -40C-125C Lot L8 RDSON @ 5A

33

温度サイクル

サイクル回数

-40℃～125℃

34

3131

iP2010 対業界最高のDrMOSデバイス

83%

84%

85%

86%

87%

88%

89%

90%

91%

92%

93%

94%

0 5 10 15 20 25 30

Efficiency

Current (A)

Vin=12V, Vout=1.2V, fsw=600kHz, L=200nH (0.35m, Airflow=200LFM

iP2010

Competitor A

Competitor B4.5%- 7%効率改善

93%ピーク効率

省エネのために最高の効率と熱的改善

35

ｉP2010/2011によるシステムの小型化

74%

76%

78%

80%

82%

84%

86%

88%

90%

92%

0 5 10 15 20 25 30

Efficiency

Current (A)

Vin=12V, Vout=1.2V, fsw=1.2MHz

iP2011iP2010

• ピーク効率 >90% @1.2MHz• 全負荷効率 >88%• Siスイッチと比べて周波数を3倍に

• 基板面積を55～65%シュリンク

36

GaNパワー・ステージ・シリーズの特徴

ピン互換のパワー・ステージ・シリーズ

• iP2010: 30A, 3MHz max• iP2011: 20A, 5MHz max

特徴

• 業界最高効率のパワー・ステージ

• 5MHz動作

• 業界標準 TTL レベルの PWM 入力

• シングルまたはマルチフェーズのアナログ

またはデジタル・パワー

• 入力電圧： 7V ~ 13.2V

• 出力電圧： 0.6V ~ 5.5V

• 高速 PowIRtuneTM ゲート・ドライブ IC

• 小型, ワイヤレス LGA パッケージ

（7.7×6.5×1.7mm）

3737

4フェーズで > 94%可能（10A～100A）

700kHz Vin = 12V, Vout = 1.2V

大電流低電圧POL（VRM）

83%

85%

87%

89%

91%

93%

95%

5 10 15 20 25 30

Load Current (A)

Efficien

cy

標準的Siソリューション

最高水準Siソリューション

GaN Gen 1.1ソリューション

GaN Gen 2ソリューション

38

75%

77%

79%

81%

83%

85%

87%

89%

91%

93%

95%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Iout (A)

Effic

ienc

y

5MHz 70nH 2.2mOhm4MHz 70nH 2.2mOhm3MHz 70nH 2.2mOhm2MHz 150nH 0.25mOhm1MHz 150nH 0.25mOhm

12Vin/1.8Vout POL（ドライバ、スイッチ、インダクタ、PCB損失を含む）

高周波バック・コンバータの効率

実測値

39

低電圧GaNのFOMの予測

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2008 2009 2010 2011 2012 2013 20142009

Next Si

GaNGen 1.1

GaNGen 2.0

GaNGen 2.1

R X

Qg

Figu

re o

f Mer

it (m

Ohm

-nC

)

4040

まとめ

• GaNテクノロジーによるデバイスFOMの改善を立証

• GaNpowIRTMプラットフォームによるデバイスとソリューションの安定性を確認

• GaN/Siスイッチング・パワー・トランジスタ製品、iP2010を製品化

• 応用回路にてパフォーマンス改善を立証

• IRのGaNpowIRTM プラットフォームはGaN材料による製品化の大きな障壁になっていたコスト問題を乗り切り、幅広い電力変換アプリケーションに対応できる見込み（20～1200V）

• 今後の製品化予定: 600V 2011年末

international rectifier co., ltd...1 “ganデバイスの技術と応用” international rectifier...

Documents