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 Inject

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ねんたろうかなり
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1 高耐圧 GaN パワーデバイス開発松下電器産業 ( 株 ) 半導体社半導体デバイス研究センター上田哲三

2 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 パワーデバイスまとめ講演内容 10000V 耐圧 AlGaN/GaN HFET

3 GaN の特長とパワーデバイス応用に向けての課題

4 GaN 系半導体の特長 Si, GaAs との比較 - パワー応用絶縁破壊電界ワイドギャップ (V/um) パワー応用 100 ( ) 50 動作温度ワイドギャップ高ポテンシャル障壁 Si 10 GaN GaAs 100 RF 応用最大発振周波数 (fmax) 高飽和電子速度低寄生容量 (GHz) パワー応用最大電流 (Imax) 高キャリア濃度高電子速度 (A/mm) (db) RF 応用雑音指数 (NF) 低キャリア散乱低 RF 損失

5 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大口径 Si 基板上への結晶成長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 (~1x10 13 cm -2 ) が発生ノーマリオフと大電流の両立が困難新動作原理ノーマリオフデバイス (GIT) 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新たな高耐圧デバイス構造

6 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

7 GaN の結晶成長に用いられる基板基板材料基板価格格子定数 (A) 熱膨張係数 (10-6 /K) GaNの転位密度 (cm -2 ) 熱伝導率 (Wcm/K) GaN 100 インチ (50,000 円 /cm 2 ) SiC 50 インチ (25,000 円 /cm 2 ) サファイア 5 (600 円 /cm 2 ) 4.76 (2.74) Si 0.5 (30 円 /cm 2 ) 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

8 Si 基板上 AlGaN/GaN HFET 構造 MOCVD エピタキシャル構造 X 線回折パターン格子定数 : Si>GaN>AlN 熱膨張係数 : Si<GaN<AlN GaN AlN GaN GaN 超格子バッファ層 AlGaN AlN Si(111) 基板圧縮歪応力緩和 X-ray Intensity (arb. units) AlGaN/AlN 初期成長層 GaN/AlN 多層膜による応力緩和 θ(deg.) 良好な周期性を確認

9 6 インチ Si 基板上への MOCVD 成長 6 インチ全面にて鏡面クラックフリー

10 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 Hall Mobility (cm 2 /Vsec) Sheet Carrier Concentration (x cm ー 2 ) Distance from Center (mm) Distance from Center (mm) 移動度 1653 cm 2 /Vsec

11 Si 基板上大電流 AlGaN/GaN パワー HFET 5.6mm Drain Gate Drain Drain 2.8mm Al0.26Ga0.74N Un-GaN Buffer AlN Buffer Surface Source Via Silicon Substrate Surface Source Via Sisub. Source ソースビア接地 FET 構造 Gate Drain チップ写真 (Wg= 500mm) 断面 SEM 写真

12 大電流 AlGaN/GaN パワー HFET の DC 特性 Vgs=0V -0.5V -1.0V -1.5V Vgs=-3.0V -2.0V -2.5V BVoff: 350V Ron: 19.8mΩ (Ron A: 1.98mΩcm 2 ) 高耐圧低オン抵抗を実現

13 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)

14 従来のノーマリオフ型 AlGaN/GaN HFET Charge distribution -σ AlGaN -5.1x10-6 Ccm -2-0 σ : Fixed charge N S (GaN) >1x10 13 cm -2 2DEG -σ GaN +σ AlGaN 5.1x10-6 Ccm x10-6 Ccm -2 +σ GaN + 2.9x10-6 Ccm -2 Band diagram P SP(AlGaN) P SP(GaN) N σ V s p = φ ΔE b c V AlGaN AlGaN = φ ΔE 2 = + σ / e ( ε ε / d e ) φ 0 AlGaN = PPE ( Alx 1 b c qn sd ε ε 0 AlGaN AlGaN [ e + E ΔE ] Ga1 xn) + PSP ( AlxGa xn) PSP ( GaN) O.Ambacher et al, J.A.P. vol.85, no.6, p.3222, 1999 従来のノーマリオフ化技術 b F c Schottky metal P PE(AlGaN) ΔE C E C AlGaN 薄層化 Al 組成の低減ドレイン電流の減少フッ素添加 Al 0.25 Ga 0.75 N GaN E F P PE : Piezoelectric polarization P SP : Spontaneous polarization F の安定性確認が必要

15 新規ノーマリオフ型 GaN トランジスタ -GIT - Gate Injection Transistor (GIT) Source Gate p-algan i-algan Drain i-gan μ h << μ e 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

16 GIT におけるノーマリオフ化 Energy [ev] Gate Ohmic バンド図 Gate Ohmic p-algan i-algan i-gan Depth [um] p-algan i-algan i-gan E C E F E V 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

17 GIT の動作原理 Vgs 5V 0V Vgs off on on off 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 Source Gate p-algan Drain i-algan i-gan 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)

18 GIT と MESFET の I ds -V gs 特性比較 300 Lg=2µm, Lgd=7.5µm Ids (GIT) 100 Ids (ma/mm) Ids (MESFET) gm (MESFET) gm (GIT) gm (ms/mm) Vgs (V) ホール注入により 2つめのg m ピークが発生 0

19 GIT の DC 特性 Ids (ma/mm) [ma/mm] Lg=2µm, Lgd=7.5µm Vgs=5V Vgs=4V Vgs=3V Ids Ids[mA/mm] (ma/mm) Lg=2µm, Lgd=7.5µm Vgs=0V 50 Vgs=2V Vgs=1V Vds (V) [V] Vds Vds[V] (V) 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 : 2.6mΩcm 2 オフ耐圧 : 800V

20 GIT オン抵抗 - 耐圧特性 Specific On-Resistance RonA (mωcm 2 ) GaN HFET (normally-off) Si Limit [3] [4] Si Super Junction MOSFET Si IGBT (commercial) This work GIT GaN Limit Breakdown voltage (V)

21 超高耐圧 GaN パワーデバイス 10000V 耐圧 AlGaN/GaN HFET

22 AlGaN/GaN HFET 高耐圧化に向けての課題高電圧ソース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ゲート SiN Passivation i-algan i-gan 高電界バッファ層ドレインこれまでに報告されている耐圧と Lgd の関係 Breakdown Voltage (V) Y. Dora, et al EDL, vol.27, pp713, 2006 N. Tipirneni, et al EDL, vol.27, pp716, 2006 基板 Lgd (μm) 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

23 超高耐圧 AlGaN/GaN HFET 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超高耐圧 AlGaN/GaN HFET の断面図高電界フィールドプレート厚膜 AlN パッシベーション SiN ソースゲート i-algan サファイア基板へのビアホール i-gan バッファ層サファイア基板ドレイン

24 AlN による絶縁破壊電界の向上 MIM(Metal-Insulator-Metal) 構造の電流 - 電圧特性 1.E+03 1.E MV/cm Current [A/cm2] 1.E+01 1.E+00 1.E-01 SiN 1μm 5.7MV/cm 1.E-02 AlN 1μm 1.E Voltage [V]

25 AlN による放熱改善ーシミュレーション結果 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 Temperature ( ) SiN:500nm ~ 10µm S G D position (µm) AlN: 500nm 1µm 2µm 5µm 10µm 4 Max. temperature ( ) SiN 230 AlN Thickness (µm)

26 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 Thermal resistance, Rth ( /W) Wg : 4.8mm SiN AlN AlN thickness (µm)

27 レーザドリルによるサファイアへのビアホール形成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多光子吸収 (Multi-photon ionization) サファイア導電帯バンドギャップ 9eV レーザドリル SEM 写真 Depth=250μm 価電子帯ビアホール形成プロセス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

28 作製したサファイア基板への貫通ビアホール断面 SEM 写真ビアホールサファイア裏面電極 100μm

29 超高耐圧 AlGaN/GaN HFET の構造断面構造ソースソースゲート SiN AlN i-algan i-gan ゲートバッファ層サファイア基板ドレインチップレイアウトソースビアドレインゲートゲートソース

30 作製した超高耐圧 AlGaN/GaN HFET チップ写真断面 SEM 写真 Source-FP Gate Source Gate-FP SiN Poly-AlN AlGaN/GaN Drain AlN-buffer 1mm Viahole source 5μm sapphire gate 10μm

31 オフ耐圧のゲート - ドレイン間距離 (L gd ) 依存性 Breakdown Voltage [V] Vg= -5V Thick poly-aln Passivation SiN Passivation Lgd [um]

32 超高耐圧 HFET の DC 特性 Drain Current [A/mm] Drain Current [A/mm] Lg=2µm, Lgd=125µm Vgs= 1V 0V -1V -2V -3V -4V Drain Current [ma/mm] Drain Current [ma/mm] Lg=2µm, Lgd=125µm Vgs= -5V 10400V Drain Voltage [V] Drain Voltage [V] Drain Voltage [V] Drain Voltage [V] RonA=186mΩcm 2 BVds=10400V Imax=150mA/mm Vp= - 4.0V

33 超高耐圧 AlGaN/GaN HFET オン抵抗 - 耐圧特性 10 4 Specific On-Resistance RonA [mωcm 2 ] GaN HFET Normally-Off Si Limit Si Super Junction MOSFET GaN HFET Normally-On Si IGBT This Work UHV-HFET GaN Limit GIT Normally-off Breakdown voltage [V] 10 5

34 まとめ GaN パワーデバイスの実用化に向けて低コスト化 6インチSi 上 MOCVD 結晶成長技術大電流 AlGaN/GaN HFET(150A/350V) 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) を提案超高耐圧実現しきい値電圧 Vp=+1.0V オン抵抗 Ron A = 2.6 mωcm 2 オフ耐圧 BV ds = 800V 新規デバイス構造により 10000V 耐圧を確認オン抵抗 Ron A = 186 mωcm 2 オフ耐圧 BV ds = 10400V

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