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
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
GaN の特長と パワーデバイス応用に向けての課題
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) 200 150 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 400 300 200 100 0 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) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 (db) RF 応用 雑音指数 (NF) 低キャリア散乱低 RF 損失
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
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 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 万円 @2 インチ (50,000 円 /cm 2 ) 3.19 5.45 10 5-10 6 2.2 SiC 50 万円 @2 インチ (25,000 円 /cm 2 ) 3.07 4.20 10 7-10 8 4.5 サファイア 5 万円 @4インチ (600 円 /cm 2 ) 4.76 (2.74) 7.70 10 9 0.4 Si 0.5 万円 @6インチ (30 円 /cm 2 ) 3.84 3.59 10 9-10 10 1.5 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
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 100000 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) 10000 1000 100 10 1-3 -2-1 0 +1 +2 +3 +4 AlGaN/AlN 初期成長層 GaN/AlN 多層膜による応力緩和 0.1 33 34 35 36 2θ(deg.) 良好な周期性を確認
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
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) 3000 2000 1000 0-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 Sheet Carrier Concentration (x 10 13 cm ー 2 ) 2 1 0-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 Distance from Center (mm) Distance from Center (mm) 移動度 1653 cm 2 /Vsec
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
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
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)
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 -2-2.9x10-6 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
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
GIT におけるノーマリオフ化 Energy [ev] 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Gate Ohmic バンド図 -0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 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
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)
GIT と MESFET の I ds -V gs 特性比較 300 Lg=2µm, Lgd=7.5µm 120 250 Ids (GIT) 100 Ids (ma/mm) 200 150 100 Ids (MESFET) gm (MESFET) gm (GIT) 80 60 40 gm (ms/mm) 50 20 0-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 Vgs (V) ホール注入により 2つめのg m ピークが発生 0
GIT の DC 特性 Ids (ma/mm) [ma/mm] 300 250 200 150 100 Lg=2µm, Lgd=7.5µm Vgs=5V Vgs=4V Vgs=3V Ids Ids[mA/mm] (ma/mm) 1.0 0.8 0.6 0.4 Lg=2µm, Lgd=7.5µm Vgs=0V 50 Vgs=2V 0.2 0 Vgs=1V 0 2 4 6 8 10 Vds (V) [V] 0.0 0 200 400 600 800 1000 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
GIT オン抵抗 - 耐圧特性 Specific On-Resistance RonA (mωcm 2 ) 10 2 10 1 10 0 GaN HFET (normally-off) Si Limit [3] [4] Si Super Junction MOSFET Si IGBT (commercial) This work GIT GaN Limit 10-1 10 2 10 3 10 4 Breakdown voltage (V)
超高耐圧 GaN パワーデバイス 10000V 耐圧 AlGaN/GaN HFET
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) 2000 1500 1000 500 Y. Dora, et al EDL, vol.27, pp713, 2006 N. Tipirneni, et al EDL, vol.27, pp716, 2006 基板 0 5 10 15 20 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
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
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+02 3.7MV/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-03 0 100 200 300 400 500 600 Voltage [V]
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 ( ) 330 280 SiN:500nm ~ 10µm 230 180 130-4 S G D -2 0 2 position (µm) AlN: 500nm 1µm 2µm 5µm 10µm 4 Max. temperature ( ) 330 280 SiN 230 AlN 180 130 0 2 4 6 8 10 Thickness (µm)
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) 20 16 12 8 4 0 0 Wg : 4.8mm SiN AlN 1 2 3 4 AlN thickness (µm)
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
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
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
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
オフ耐圧のゲート - ドレイン間距離 (L gd ) 依存性 Breakdown Voltage [V] 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Vg= -5V Thick poly-aln Passivation SiN Passivation 0 20 40 60 80 100 120 140 Lgd [um]
超高耐圧 HFET の DC 特性 Drain Current [A/mm] Drain Current [A/mm] 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 Lg=2µm, Lgd=125µm Vgs= 1V 0V -1V -2V -3V -4V 0 5 10 15 20 Drain Current [ma/mm] Drain Current [ma/mm] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Lg=2µm, Lgd=125µm Vgs= -5V 10400V 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Drain Voltage [V] Drain Voltage [V] Drain Voltage [V] Drain Voltage [V] RonA=186mΩcm 2 BVds=10400V Imax=150mA/mm Vp= - 4.0V
超高耐圧 AlGaN/GaN HFET オン抵抗 - 耐圧特性 10 4 Specific On-Resistance RonA [mωcm 2 ] 10 3 10 2 GaN HFET Normally-Off 10 1 10 0 10-1 Si Limit Si Super Junction MOSFET GaN HFET Normally-On Si IGBT This Work UHV-HFET GaN Limit GIT Normally-off 10 2 10 3 10 4 Breakdown voltage [V] 10 5
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