大口径電子デバイス用エピ基板の開発

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あけなおちとく
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1 GaN/Si 半導体の研究技術動向江川孝志名古屋工業大学極微デバイス機能システム研究センター発表内容 1.MOCVD 法を用いたヘテロエピタキシャル成長 (1) 各種基板上の GaN の比較 Si 基板の利点 (2)Si 基板上の GaN 結晶成長厚膜化及び高品質化 (3) ピットの発生 (4) 国内外の研究開発動向 2.Si 基板上 AlGaN/GaN HEMT の諸特性 (1) 縦方向及び横方向耐圧の総膜厚依存性 (2) ピットの与える影響 (3) パワーデバイスへの応用 3. まとめ平成 24 年 7 月 9 日第 13 回窒化物半導体応用研究会

2 GaN パワーデバイス開発の意義一次エネルギー消費量 ( 国内 ) 4.70 億 t ( 石油換算 ) 電力消費量 2.02 億 t (1.03 兆 kwh) 一人当たりの CO 2 発生量 36% 照明以外 ( パワーデバイス利用 ) 1.70 億 t 7% パワーエレクトロニクス分野での省エネが重要 SiC, GaN bulk, GaN/Si 海外約 25 倍 37kg/ 日パワーデバイスのマーケット推定 (2030 年 ) 国内デバイス : 約 6900 億円 / 年海外デバイス : 約 5 兆 5000 億円 / 年照明 :0.32 億 t (GaN LED) CO 2 削減効果 : デバイスとして既存のSi 半導体に対し70-90% 減日本国内のCO 2 排出量約 13.5 億トンに対し4% 減 (2025 年 ) 6%(2030 年 ) ( 新機能素子研究開発協会次世代省エネデバイス技術調査報告書 H20 年 3 月電気事業連合会原子力エネルギー図面集 )

窒化物 (GaN) 系半導体材料の特徴材料的特長 : 1. 大きなバンドギャップ :3.4 ev 2.

3 窒化物 (GaN) 系半導体材料の特徴材料的特長 : 1. 大きなバンドギャップ :3.4 ev 2. 大きな破壊電界 :2x10 6 V/cm 3. 大きな飽和速度 :2.7x10 7 cm/s 4. ヘテロ構造 (AlGaN/GaN) の作製 5. 大きなシートキャリア密度 (Ns): Ns~1x10 13 cm -2 6.As を含まない (cf. GaAs) 応用分野 : 1. 紫外青緑赤の発光デバイス 1) 白色ランプ : 蛍光灯の代替え ( 水銀無し省エネ ) 2)DVD 用のレーザー :4 倍の記録密度 2. 高周波高出力高温動作の電子デバイス 1) 携帯電話用基地局 2) スイッチング用電源 ( パワーデバイス ) 3. 紫外線ガスセンサー

4 各種半導体材料の高出力デバイスとしての物性値と性能指数材料 Eg ev ε μ cm 2 /Vs Ec 10 6 V/cm vs 10 7 cm/s κ W/cmK JFM (Ecvs/π) 2 KFM κ(vs/ε) 1/2 BFM εμec 3 Si BHFM GaAs GaN H-SiC , 50 4H-SiC , 650 μec パワーデバイスとしての性能指数 : バリガ指数 (BFM)=εμEc 3 絶縁破壊電界 (Ec) が大きいワイドバンドギャップ半導体 GaN SiC GaAs Si

5 オン抵抗の比較高耐圧で低抵抗 GaN が有利応用物理大橋弘道第 73 巻第 12 号 p 年

6 GaN 系半導体の特徴 Si,GaAs との比較電気 / ハイブリッド自動車用インバータ衝突防止用レーダー (77 GHz) 移動体通信地上基地局地上ディジタル放送中継局電力変換回路小型化 9W/cm 3 ( インバータ ) 広帯域無線ネットシステム GaN HEMT on Si 無線基地局家電用インバータ鉄道用インバータ大容量衛星通信システム ( 進行波管の代替 ) サービス機器携帯端末 PC

7 各種基板の比較大口径化コスト高出力化総合評価 GaN/Si GaN/SiC GaN/ サファイア GaN/GaN SiC 各種基板の比較 Si 基板が有利既存のプロセスラインの利用 ( 新たな設備投資が不要 )

8 Thermal and Lattice Mismatch

9 コスト面から見た既存 Si 半導体競合技術との比較プロセスのコスト結晶成長のコスト基板のコスト SiC デバイス SiC:1,500~1,600 GaN:1,200 GaN/GaN デバイス GaN/ サファイアテハイス Si デバイス低コスト化サファイア :480 円 /cm 2 Si :80 円 /cm 2 以下 SiC:1,600 円 /cm 2 以上低コスト化 GaN :40,000 円 /cm 2 以上 GaN/Si デバイス Si :80 円 /cm 2 以下 Panasonic の資料を一部修正デバイス化した際のコストを考えたときに最も影響が大きいのは基板コスト基板に Si を用いることは圧倒的なコスト競争力を持つこととなる SiC デバイスの場合 SiC 基板の大口径化とともに Si と競争できる低コスト化を実現することが必要 GaN デバイスの場合 GaN 基板の実用化の目処がたっておらず Si と競争できる低コスト化を実現することは困難サファイア基板は放熱性に問題がある Si 基板は既存のデバイスプロセスラインの活用が可能となることなど基板そのもののコスト競争力を有する既存の Si デバイス製造ラインを活用することでデバイスメーカの膨大な設備投資が不要となる

10 GaN/Si 大電力用パワーデバイスによる小型化軽量化現在普及している Si パワー MOSFET10 個分を 1 チップで実現 1.8 cm 1.6 cm 1.8 cm 2cm 1 個の GaN/Si パワーデバイス小型化軽量化 Si パワー MOSFET:10 個分パワー半導体が拓く新市場セミナー電波新聞社主催 2011 年 2 月 3 日

11 海外での GaN/Si の研究開発動向 EU MORGaN プロジェクト 11ヶ国 24 企業機関による共同研究 AIXTRON, MicroGaN, Gooch&Housego,THALES,SWEREAなど研究費 9.2 million(2009より33 年間 ) 狙い : 厳しい環境で使用可能な GaNセンサ RFトランシスタの開発 LAST POWER プロジェクト 42ヶ月間欧州多国間 14 企業参加 STMcroelectronicsが中心となり先進的なSiC 及びGaN/Siのコスト効率と信頼性の統合を開発, NEULAND プロジェクトドイツの企業 6 社 (Aixtronなど) が参加研究費 4.2 million(2010より3 年間 )GaN/SiやSiCなどを使いエネルギー効率が高く低コストのパワーデバイスを開発 G 2 REC STMicroelectroncsが中心 Sitronics, Novasicなど4 社 2 大学参加 6インチSi 上に耐圧 600VのSBDを開発 2007 年より4 年計画で 15 million STMicroelectronics 社狙い : 低損失 GaNダイオード (2013 年の製品化を狙う ) Freescale 社 CNRS-CREHAとの共同研究狙い : 高出力 GaN/Si MOSHEMT( ハイアホールによる縦型デバイス ) IMEC 2012 年までにGaN/Siの8インチ化を計画 (Applied Material, Dow Corning, Samsung) アメリカ TRIQUINT 社 BAE Systems, IQE-RF Corp., Lockheed Martin; II-VI Inc. との共同研究研究費 ( Phase III) $31.7 million.(2009より2 年間 ) 狙い:48V 駆動でのテハイス信頼性寿命の向上 Northrop Grumman 社 University of California Santa Barbara, Arizona State University and Pennsylvania State University 研究費 (PhaseⅠ) $12.4 million 狙い: 高耐圧で500GHz 駆動可能なGaNデバイスの開発 Nitronex 社 GaN/Si 技術を活用したHEMT 構造トランシスタを販売 (2007~) Efficient Power Conversion 社 GaN/Si (6インチ) 技術を使って40~200V 耐圧のハワートランシスタを開発し販売開始 (2010~) International Rectifier 社 GaN/Siを使いハワー MOSFETを量産中売上 10 億トル規模 Cree 社 GaN/Siのヘテロエピタキシャル技術パワーデバイスシンガポール A-Starプロジェクト GaN/Siに関して Nanyang Technological University, Standard Chartered( クローハルファントリー ) 8インチのGaN/Siパワーデバイス (4 月より立ち上げ ) 台湾 TSMC 社 GaN/Siパワーデバイスファンドリーサービス計画 UMC 社 GaN/Siパワーデバイスファンドリーサービス計画中国 CRSタイムスエレクトリック社他ハワー半導体世界 6 位のカナダのDynex Power 社を買収国策としてGaN 研究に多額の資金を投入

12 4 インチ対応 MOCVD 装置 Horizontal MOCVD system (Nippon Sanso, SR-4000) Source gas Group III : TMG, TMA Group V : NH 3 Stainless steel reactor Fused quartz flow channel Nitrogen gas Group III + carrier gas Group V + carrier gas Substrate Dopant : SiH 4 Carrier gas H 2, N 2 Growth temperature ºC アンモニアとTMAの気相反応の制御が重要!! Laminar flow region Diffusion region Resistive heater (Temperature 1100 )

13 Surface morphology of n-gan on Si 従来技術 GaN デバイス層低温成長 AlN 緩衝層 Si 基板温度 AlN/AlGaN 高温成長中間層サーマル GaN/Si クリーニング成長低温成長緩衝層 ( 従来技術 ) GaAs/Si, GaN/ サファイア高温成長中間層技術 GaN デバイス層 GaN/AlN 歪超格子高温成長 AlGaN/AlN 中間層 Si 基板 GaN デバイス層表面の劣化時間 Ga によるメルトバックエッチングの抑制

14 エピ層膜厚と反りの関係反りの形状 GaN GaN GaN 圧縮歪 2 AlN Si 基板 1 多層膜緩衝層 (AlN/GaN SLS) Si 基板応力緩和下に凸成長層に引張り歪反りの増加クラック ( 割れ ) の発生厚膜化引張り歪 ( 熱膨張係数差 ) 圧縮歪 ( 格子定数差 ) 格子定数 : Si > GaN > AlN 熱膨張係数 : Si < GaN < AlN 厚膜化の考え方素子層となる GaN に圧縮応力 ( 応力のカウンターバランス ) を与える SLS 導入による歪緩和

15 Bowing vs. total thickness of epilayer 160 pair 200 pair 50 pair i-gan 2 μm 100 pair GaN / AlN 7 μm Silicon Counter-balance of thermal and lattice mismatches by SLS Total thickness:9.0 μm Crack free

16 現状の Si 基板上エピ - 大口径化と厚膜化 - 大口径化厚膜化膜厚 :10 μm エピ ( 周辺約 10 mm クラック有 )

17 Cross-sectional TEM of AlGaN/AlN/GaN HEMT on Si i-algan i-algan i-gan AlN:1 nm i-gan GaN/AlN SLS AlN GaN 20 nm HT-AlGaN/AlN AlGaN Silicon AlN Si SiN

18 2-terminal breakdown voltage of i-gan vs. total thickness Vertical direction Horizontal direction Improvement of V B with the increase of total thickness V B = μm S. L. Selvaraj et al., IEEE EDL., Vol. 30, No. 6, p. 587, 2009

19 Surface morphology High breakdown voltage Low breakdown voltage Nomarski SEM AFM

20 Cross-sectional TEM and SEM by FIB SLS 4 μm Meltback etching due to reaction of Ga to Si substrate S. L. Selvaraj et al., Appl. Phys. Express 2, (2009)

21 Leakage current pass V G = -5 V: ピンチオフ I Drain Pit density:~0 I Buf I Gate I Sub Pit density: 2,500 cm -2 エピ厚 :2.4 μm, Lg/Wg = 1.5/15 μm gm=190 ms/mm, I D =625 ma/mm, Vth=-2.0 V Pit density: 12,500 cm -2 Pit density: 34,000 cm -2

22 HEMT とピットの関係 Mesa G S D

23 CL intensity as a function of distance from pit Pit density: ~ 0 cm -2 Pit density: ~ 1x10 3 cm -2 S. L. Selvaraj et. al., Appl. Phys. Letts (98)

24 Device characteristics as a function of distance from pit Pit density: 1x10 3 cm -2 ピットの無い試料 : I DSmax = 516 ma/mm, V th = -2.1 V, BV off = 300 V

25 電流コラプス : 市販エピとの比較 V ds OFF 100 V,..,600 V V gs 0.5V 0 V 0 V -6 V R ON (before) 10s 10s R ON (after) time 本研究電流コラプスの抑制 TWHM2011, T. Deguchi et al.

26 オン抵抗と耐圧の関係オン抵抗面積 (mω-cm 2 ) Si SJMOSFET GaN HEMT on SiC GaN HEMT on Sapphire GaN HEMT on Si GaN HEMT on Si ( 名工大 ) Philips 東芝サンケン IR NTU Si 限界本研究 UCSB MIT 基板除去古河電工 ( フィールドプレート ) UCSB Univ. of South Carolina パナソニック 4H-SiC 限界 GaN 限界 FBI, Germany 耐圧 (V)

27 まとめ 1. 高温成長 AlGaN/AlN 中間層と歪超格子を用いた Si 基板上 AlGaN/GaN HEMT 構造において (1) 厚膜化 :9μm (2) 横方向 2 端子耐圧 :1813 V (10 μm ギャップ ) (3) 縦方向 :2.3 MV/cm (4) 移動度 :3215 cm 2 /Vs( 室温 ) (5) 三端子オフ耐圧 :1402 V (6)R on A:7.7 mωcm 2 (7) 電流コラプスの抑制 2. Si 基板上 AlGaN/GaN HEMT 構造はパワーデバイスとして有望謝辞 : 本研究の一部は科学技術振興調整費 ( 先導的研究等の推進 ) 有機金属気相成長技術 ( 大陽日酸 ) 寄附研究部門知的クラスター創成事業及び民間との共同研究等により行われたものです

第 1 回窒化物半導体応用研究会平成 20 年 2 月 8 日講演内容 1. 弊社の概要紹介 2. 弊社における窒化物半導体事業への展開 3. 知的クラスター創生事業での取り組み Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術技術開発

第 1 回窒化物半導体応用研究会平成 20 年 2 月 8 日 GaN 結晶成長技術の開発半導体事業部伊藤統夫第 1 回窒化物半導体応用研究会平成 20 年 2 月 8 日講演内容 1. 弊社の概要紹介 2. 弊社における窒化物半導体事業への展開 3. 知的クラスター創生事業での取り組み Si 基板上 HEMT 用 GaN 系エピ結晶結晶成長成長技術技術開発弊社社名変更について 2006