レクテナ使用周波数(2.45GHz)でのアドミタンス測定

順方向のアドミタンス特性について測定を行った。測定周波数はレクテナの実使用周波 数帯である、2.45GHzと、比較のために、1GHzでも同時に測定をおこなった。測定バイ アス点は0～4Vで0.1V刻みで往復測定を行った。測定TEGパターンはサファイア基板 上に形成したものを用いた基本構造のもので実効ショットキー電極面積 2μm×100μm で ある。またショットキーダイオードのDC測定との相関を解析するために、DCの電流電 圧測定も同時に測定を行った。図5.5、5.6に2.45GHzでの電圧－アドミタンス特性を示 す。これは図5.2に示したとおり、パラメータ変換を行った後のYパラメータの実部と虚 部である。図5.5をみるとわかる通り、コンダクタンス成分はダイオードがON状態にな る約0.8Vで急上昇し、直列寄生抵抗値でほぼ一定となった。そのご直流バイアスが2.4V 付近でピークを迎えその後減少が見られた。これは大電流が流れることにより自己発熱に より抵抗が上昇した影響であると考えられる。コンダクタンスは1GHzと2.45GHzとも ほぼ同じ値であり、周波数依存性が見られなかった。また一方、サセプタンス成分はダイ オードがONになると減少し、蓄積電荷が無いというショットキー接合の特徴が確認でき た。サセプタンスを測定周波数の違う1GHzと2.45GHzで比較したところ、1GHzのも のの約2.5倍になっており、パラメータ変換を行った回路モデルが妥当であることを示し ている。容量のピーク値はダイオードがONになる直前である約0.8Vの時であり、0.65pF/

フィンガーである。サセプタンスが減少した後、サセプタンスが負になった。これは電極 配線のインダクタンスの影響と思われる。しかし、実部と比較すると、1 桁程度小さい値 であることから、実使用上大きな影響はないものと思われる。また実際にはワイアボンデ ィングで回路とデバイスを接続するので、ワイアのインダクタンスに比べると、十分小さ い値であると思われる。実測でのアドミタンス解析では問題であるとされていた少数キャ リアの蓄積に起因する拡散容量の影響はほとんど見られないことが分かった。SPICEを用 いた回路モデルパラメータを検討する際にも、順方向容量の影響はほとんど無視できると 考えられる。

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

0 1 2 3 4 5

voltage[V]

Yr e [S ]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

cur rent [A ]

2.45GHz 1GHz DC電流

-0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012

0 1 2 3 4 5

voltage[V]

Yi m [S ]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

cur re nt [A ]

2.45GHz 1GHz DC電流

図5.5 GaNショットキーダイオードのYreの順方向特性

図5.6 GaNショットキーダイオードのYimの順方向特性

5.2 2 次元デバイスシミュレーションによる順方向容量の解析

高周波でのC-V 特性について実測での評価を行うとともに、2次元デバイスシミュレー タ(Synopsys社製Sentaurus Devices)を用いて評価を行った。シミュレーション構造を図 5.7に示す。実測の 1フィンガー構造と同様の構造であるが、奥行きを1μmとしてある。

シミュレーション条件を表5-1に示す。シミュレーション方法は実測と同様の手法であり、

高周波での小信号解析から、実部成分と虚部成分に分離し、虚部成分であるサセプタンス から容量成分を抽出したものである。シミュレーション結果を図 5.7、図 5.8 に示す。周 波数は1GHzであり、図中で黒線、赤線で示した「1e17」、「5e17」はGaN1の不純物濃 度を示す。また図中緑で示した「2.45G」は設定周波数を示す。コンダクタンス成分はGaN1 の不純物濃度を5倍にすると、抵抗が減少するため上昇する。またデバイスシミュレーシ ョンにおいても実測と同様にコンダクタンスの周波数依存性は見られなかった。順方向で の容量はダイオードがON状態になるとともに、急激に減少する。ダイオードがON状態 になったあとは容量値は変化せず一定値を示す。実測のようにインダクタンス成分がみら れなかったことから、インダクタンス成分は測定のキャリブレーション誤差か、パッド、

フィンガーによるものであると考えられる。バイスシミュレーションにおける結果が実測 における結果と大きな差が見られないことから実測結果は妥当であるといえる。

GaN1不純物濃度 1×10¹⁷、5×10¹⁷ GaN2不純物濃度 1×10¹⁸

周波数[Hz] 1M、1G、2.45G 表5-1 シミュレーション条件

2μｍ 2μｍ 2μｍ

SiO² 100nm GaN1

GaN2

Au Vacuum

24μｍ

1μｍ 1μｍ

4μｍ ^{2μｍ 2μｍ 2μｍ}

SiO² 100nm GaN1

GaN2

Au Vacuum

24μｍ

1μｍ 1μｍ

4μｍ ^{2μｍ 2μｍ 2μｍ}

SiO² 100nm GaN1

GaN2

Au Vacuum

2μｍ 2μｍ 2μｍ 2μｍ 2μｍ 2μｍ

SiO² 100nm GaN1

GaN2

Au Vacuum

24μｍ

1μｍ 1μｍ 4μｍ

図5-7 シミュレーション構造

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.0004

0 1 2 3 4 5

Voltage[V]

Co nd uct ance[ S ]

1e17 5e17 2.45G

0.00E+00 5.00E-16 1.00E-15 1.50E-15 2.00E-15 2.50E-15 3.00E-15 3.50E-15 4.00E-15 4.50E-15

0 1 2 3 4 5

Voltage[V]

C ap aci ta nce[ F ]

1e17 5e17 2.45G

図5.9 順方向CV特性 図5.8 順方向GV特性