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1 21 年 6 月 24 日第 8 回窒化物半導体応用研究会 GaN 系電子デバイスの現状とその可能性 GaN パワーデバイスのインバータ応用 パナソニック株式会社 セミコンダクター社半導体デバイス研究センター 上田哲三

2 講演内容 GaNインバータによる省エネルギー化 GaNパワーデバイス技術 低コストSi 基板上 GaN 結晶成長 ノーマリオフ化 : Gate Injection Transistor (GIT) GaN ワンチップインバータ IC まとめ 集積化 : Feイオン注入による高耐圧素子分離技術 GaNインバータICの高効率動作

3 インバータによる民生機器の省エネルギー化 家庭での電力消費内訳 家電製品のインバータ化率 食器洗浄乾燥機 1.6% 衣類乾燥機 2.8% その他機器 2.2% エアコン 25.2% エアコン 23% インバータ 冷蔵庫 5% インバータ 温水洗浄便座 3.9% 電気カーペット 4.3% テレビ 9.9% 照明用 16.1% 冷蔵庫 16.1% ノンインバータ ノンインバータ 出典 : エネルギー白書 6 万台 8 万台 環境効果 ク ローハ ル市場でのインバータ化を促進 ( エアコン 23% 5% 冷蔵庫 5% 1% とした場合 ) 12 億 kwh 節電 8 基の火力発電所相当 CO 2 換算すると,4 万 t 削減 ( 日本の年間総排出量 13 億 t の.3% 相当削減 )

4 間消費電力(1台当りインバータ搭載機器とノンインバータ機種の消費電力比較年3kWh/ 年 インハ ータ 間消費電力(1台当インハ ータ年り)ノンインハ ータ 1kWh/ 年 ノンインハ ータ )冷蔵庫 エアコン

5 インバータ : 省エネルギー化のコア技術 Gate Driver Transistor Fast Recovery Diode Motor インバータは 6 個のトランジスタから構成される トランジスタのスイッチングによりモータを駆動 Controller AC DC AC U-Phase Motor Current V -Phase U-Phase V-Phase W-Phase Inverter W-Phase Motor

6 GaN トランジスタによるインバータの高効率化 GaN トランジスタでは電圧オフセットがなくオン抵抗が小さいため 損失を大幅に低減可能 Si 系インバータ IGBT ダイオード FRD 電流 電流 I F I R モータ I F I R IGBT オフセット V F 電圧 ダイオードオフセット V F 電圧 損失 = V F I F + V F I R GaN インバータ I F GaN トランジスタ 電流 R ON 電流 R ON I R I F I R モータ 電圧 電圧 損失 = Ron I F2 + Ron I R2 I F : 駆動電流 I R : 還流電流 FRD:Fast Recovery Diode ( 高速リカバリダイオード )

7 GaN インバータによる損失低減予測 GaN インバータにより従来トランジスタと比較し大幅な損失低減が可能 12 電力損失の割合 (%) ダイオード損失 スイッチンク 損失 オン時導通損失 還流時導通損失 従来 Si-IGBT GaN GaN トランジスタ双方向 SW

8 GaN インバータ実現に向けてのデバイス技術課題 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 (~1x1 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) ワンチップ集積化 GaNトランジスタが横型かつ小面積であるという特長を活かすためには集積化が望まれる新たな高耐圧素子分離技術

9 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 基板材料 基板価格比 (Si 基板を1) 格子定数 (A) 熱膨張係数 (1-6 /K) GaNの転位密度 (cm -2 ) 熱伝導率 (Wcm/K) GaN SiC サファイア (2.74) Si

10 Si 基板上への AlGaN/GaN 構造 MOCVD 成長 AlGaN/AlN 初期成長層 GaN/AlN 多層膜による応力緩和 6 インチ全面にて鏡面 クラックフリー 最大移動度 1653 cm 2 /Vsec MOCVD エピタキシャル構造 格子定数 : Si>GaN>AlN 熱膨張係数 : Si<GaN<AlN 6 インチ Si 基板上への MOCVD 成長 AlN GaN GaN 圧縮歪 超格子バッファ層 AlGaN AlN 応力緩和 Si(111) 基板

11 従来のノーマリオフ型 AlGaN/GaN HFET Charge distribution -σ AlGaN -5.1x1-6 Ccm -2 - σ : Fixed charge N S (GaN) >1x1 13 cm -2 2DEG -σ GaN +σ AlGaN 5.1x1-6 Ccm x1-6 Ccm -2 +σ GaN + 2.9x1-6 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 AlGaN = PPE ( Alx 1 b c qn sd ε ε 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オン抵抗増加 Al.25 Ga.75 N GaN E F P PE : Piezoelectric polarization P SP : Spontaneous polarization MISデバイス フッ素添加 信頼性の確保 Fの安定性確認が必要

12 新規ノーマリオフ型 GaN トランジスタ -GIT - Gate Injection Transistor (GIT) Source 断面構造 Gate p-algan i-algan 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 Energy [ev] Gate Ohmic p-algan i-gan バンドダイヤグラム i-algan Depth [um] i-gan μ h << μ e ポテンシャル障壁増によるキャリア濃度減 ホール注入 伝導度変調 E C E F E V

13 GIT の動作原理 ソース電極 ゲート電極 オフ ドレイン電極 p-algan i-algan 電流が流れない i-gan Vg = V 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 ソース電極ゲート電極 オン p-algan + i-algan ホールの移動速度 << 電子の移動速度 ドレイン電極 電流が大量に流れる 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)

14 GIT と MESFET の I ds -V gs 特性比較 3 Lg=2µm, Lgd=7.5µm Ids (GIT) 1 Ids (ma/mm) Ids (MESFET) gm (MESFET) gm (GIT) gm (ms/mm) Vgs (V) ホール注入によりノーマリオフ動作 2つめのg m ピークが発生

15 Si 基板上 GIT の DC 特性 Drain Current Ids (ma/mm) Ids (ma/mm) Vgs=5V 4V 3V 2V 1V Drain-Source Vds Voltage (V) Vds (V) 1.E-4 Drain Current Ids (ma/mm) 1 8.E E E E-5 2.E+ Vgs=V Drain-Source Vds Voltage [V] Vds (V) しきい値電圧 Vp : +1.V 最大ドレイン電流 Imax : 37mA/mm オン抵抗 RonA : 2.mΩcm 2 オフ耐圧 : 7V

16 測定回路 GIT のスィッチング特性 Switching Vdd=1V Characteristics - Results - Vgs Monitor 5Ω tr td tfの定義 9% 1% Vgs Vds 9% RL=1Ω Id Monitor Vds Monitor tr, td(off), tf (nsec) tr, td, tf vs Vgs tr td(off) tf tf td(off) tr Ids 1% Vgs (V) td(on) tr td(off) tf

17 GIT の信頼性評価結果 125 Vds=4Vでの高温高電圧信頼性評価において 1 時間以上の安定動作を確認 しきい値電圧の時間変化 オフリーク電流の時間変化 Vth (V) Tj=125 o C Vds=4V Ids@Vgs=V (A/mm) Tj=125 o C Vds=4V Time (hrs) Time (hrs)

18 GaN ワンチップインバータ IC 横型かつ小面積で高抵抗下地 GaN 層上に GaN トランジスタは形成されており 素子間分離耐圧を十分高くすることでワンチップ集積化が可能 U V W GaN-GIT M 集積化の効果 ワイヤリング箇所の低減 寄生インダクタンスの低減低コスト化 高速動作 小型化 実装面積低減 GaN-GIT GaN-GIT Drain Drain Gate Gate Gate Gate Source Source 分離領域 Gate Gate Gate Gate Source Source p-algan 素子分離層 Si 基板 i-algan i-gan Buffer Layer

19 Fe イオン注入による高耐圧素子分離 Fe イオン注入により 12 以上の熱処理後でも 9V 以上の高い素子間耐圧を実現 分離領域シート抵抗の熱処理温度依存性 熱処理による分離領域での耐圧特性変化 Sheet Resistance (Ohm/square) Fe C B Current (ma) after 12C annealing Fe B B without annealing Fe B Fe 1 4 Without annealing Annealing Temperature ( o C) Voltage (V) (V)

20 GaN-GIT の動作モード GaN-GIT では逆方向特性において ゲート電圧制御によりオフセット電圧のない FET モード (Vgs=5V) とダイオードのように動作する逆導通モード (Vgs=V) を実現可能 Vgs=V: 逆導通モード Ids ( (ma/mm) ) 逆方向特性 Vgs=V step=+1v GIT の電流 - 電圧特性 Vgs=5V 順方向特性 Vgs=5V Vds (V) 4V 3V 2V 1V Vgs=5V: FET モード

21 インバータにおける GaN-GIT ゲート電圧制御 動作モードの制御によりダイオードフリーでの低損失動作を実現 IGBT インバータ GaN インバータ ON Q1 駆動電流 OFF Q1 ON Q1 駆動電流 Q1 OFF OFF Q2 FRD ON Q2 還流電流 Q2 OFF ON Q2 還流電流 上側素子 Q1 ON OFF 上側素子 Q1 ON OFF 下側素子 Q2 ON OFF 下側素子 Q2 ON OFF D D D 還流電流はダイオードのみに通電 逆導通モード 逆導通モード S S S FET モード

22 GIT ダイオードのリカバリー特性 GaN-GIT の逆導通モードによるダイオードで良好なリカバリー特性を確認 6 4 Current (A) GIT Si-FRD E-7 5.E-7 5.E-7 6.E-7 6.E- Time (ns)

23 作製した GaN ワンチップインバータ IC GaN-GIT 電源ライン 素子分離領域 Q1 電源ライン Q3 Q5 ゲート Q1 Q3 Q5 U V W M U V W Q2 Q4 Q6 モータ GND ライン Q2 Q4 Q6 GND ライン 1mm

24 GaN ワンチップインバータの特性 インバータ出力動作波形 効率の出力依存性 U 5mA/div 2ms/div 95 GaN インバータ IC 変換損失 4.8% V W 効率 (%) 9 IGBT 変換損失 8.3% 出力 (W) GaN インバータにて IGBT インバータと比較し変換損失を 42% 低減

25 まとめ GaNパワーデバイスのインバータ応用 GaN パワーデバイス技術 低コスト6インチSi 基板上へのMOCVD 結晶成長 伝導度変調を用いたノーマリオフGate Injection Transistor (GIT) Vp=+1.V R on A=2.mΩcm 2 BVds=7V 高温高電圧信頼性試験での1 時間超安定動作確認 GaN ワンチップインバータ IC Feイオン注入を用い高耐圧素子分離実現 高効率インバータ動作を確認 IGBTインバータと比較し損失 42% 低減 謝辞 : 本研究の一部は新エネルギー 産業技術総合開発機構からの委託研究開発 インバータ高効率化のための GaN 双方向スイッチの研究開発 の助成を受けて行われた

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