第４章 ダイオードの電気特性による評価
4.1 サファイア基板上 GaN ショットキーダイオードの特性評価
4.1.3 順方向電流電圧特性
順方向特性では立ち上がりの電圧とON抵抗がRF/DC変換効率に影響し、特にON抵 抗の評価は重要である。順方向に電圧を印加した際に、どの程度まで大きさの電流を流せ るかといった最大順方向電流も評価する必要があり、100W入力のレクテナではこれまで の理論値やシミュレーション値から、2～4A程度が必要であると言われている(2章を参照)。
今回の測定に用いたショットキーダイオードの構造は図4.1に示した基本構造のものであ り、ワンフィンガー構造のものを用いた。また電極の寸法は 2μm×100μm である。測定 には逆方向測定と同様の半導体パラメータアナライザ（KEITHLEY社製236）を用いた。
はじめに-8～2[V]まで測定した特性が図 4.8 黒線で示してあり、標準的なショットキー特 性である。順方向特性を評価する際0Vから最大電圧を往復させて測定を行う。0～6Vの 範囲で往復させて順方向最大電流値とON抵抗を測定した。ON抵抗はスパイスモデルを 用いたフィッティングで求めた。値はワンフィンガーのもので約20Ω程度であり、今後さ らに低減する必要がある。順方向電流の最大値は0.2A以上(6V時)であった。しかし、こ の際に今回のデバイスでは 6Ｖ以上の電圧を加えると往復で電流値の異なるヒステリシス 特性が見られた。実動作を考えた際のデバイスの信頼性の観点からヒステリシス特性は大 きな課題であるといえる。その後もう-8～2Vの範囲で電流電圧特性をしたものが図4.8の 赤線で示したものである。図をみてもわかる通り、もう一度測定を行うと逆方向リークは 3 桁大きくなり、特性が劣化した。今回測定したほとんどのデバイスで同様の特性が見ら れた。劣化後の逆方向耐圧は測定していないが、リーク電流が増加したことから、耐圧が 低下していることも推定される。
大電流を流した前後で、特性が変化することは、信頼性の観点から大きな問題である。
そのために、順方向電圧の最大値を4～8V に変えながら-20V まで測定した。各測定電圧 にて 10 回ずつ往復測定を行い、特性の劣化について測定を行った。最大電圧 5V での 1 回目と10回目の電流電圧特性を図4.10に示す。最大電圧が4Vの時には電流値はほとん ど変化しなかったが、最大電圧 5V の時は、10 回測定後の-20Vでの電流値に起きてわず かな上昇が見られた。同様の測定を7Vまで繰り返して測定した結果を図4.12に示す。今 回試作したデバイスでは、6～7[V]の範囲に大きく特性が変動する点があると思われる。ま た、1度の電圧をかけただけでも3桁程度のリーク電流の増加が起こるが、その後何度も 同じ電圧で測定すると、蓄積効果で 1 桁程度の電流上昇が見られた。8V 以上の電圧につ いては、整流性が大きく劣化する。写真では記していないが、測定後アノード電極を観察 すると、電極の変色が起こっていた。これは発熱の影響であると考えられる。順方向電圧 を印加したことによる、リーク電流増大機構に関しては今後の課題である。電界の集中す る電極端にて正電荷の蓄積が起き、リークパスになっていると推定される。今後電極端へ 電流が集中しない機構や、正電荷の蓄積しない構造が必要である。
1.E-11 1.E-10 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Voltage(V)
C u rre n t(A)
2回目 1回目
up down
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
0 1 2 3 4 5 6
Voltage(V)
C u rr ent (A )
1UP 2DOWN
図4.8 順方向のヒステリシス
図4.9 順方向電圧(6V)印加前後
1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
-20 -15 -10 -5 0 5 Voltage(V)
Cu rr e n t( A )
5V_1回 5V_10回
図4.10 順方向往復測定(最大電圧5V)
図4.11 各電圧での往復測定後の特性