ワイドギャップ半導体パワーデバイスの基本特性

(1)

ワイドギャップ半導体

パワーデバイスの基本特性

松田順一群馬大学

日時 2020 年 6 月 23 日（火） 14 ： 20 ～ 17 ： 30 インターネット配信

令和２年度集積回路設計技術・次世代集積回路工学特論公開講座

第 416 回群馬大学アナログ集積回路研究会

(2)

概要

（１）パワーデバイスの種類と分類

（２）ワイドギャップ半導体の基本特性

（３）ワイドギャップ半導体の各パワーデバイス特性

・ショットキーダイオード (4H-SiC 、 GaN)

・ PiN ダイオード (4H-SiC)

・パワー MOSFET(4H-SiC)

・ IGBT(4H-SiC)

・ GaN HEMT

(3)

パワーデバイスの種類と分類

制御有無 デバイス大分類キャリア極性 駆動方式 各デバイス 材料

Si SiC GaN

パワー デバイス

制御端子 無し

パワー ダイオード

ユニポーラ ー ショットキー

ダイオード 〇〇〇

バイポーラ

ー PN接合ダイオード 〇 × ×

ー PiNダイオード 〇〇 ×

制御端子 有り

パワー トランジスタ

ユニポーラ 電圧駆動

パワーMOSFET 〇〇 ×

GaN HEMT × × 〇

バイポーラ

電圧駆動 IGBT 〇〇 ×

電流駆動 パワーバイポーラ

トランジスタ 〇〇 ×

パワー

サイリスタ バイポーラ 電流駆動

サイリスタ 〇 × ×

GTO 〇〇 ×

Triac 〇 × ×

(4)

ワイドギャップ半導体の基本特性

（１）半導体材料の基本特性

（２）エネルギーバンドギャップの温度依存性

（３）真性キャリア密度の温度依存性

（４）ビルトイン電位の温度依存性

（５）空乏層幅のドーピング濃度依存性

（６）インパクトイオン化係数

（７）バルク移動度（電子と正孔）のドーピング濃度及び温度依存性

（８）キャリア速度（電子と正孔）の電界依存性

（９）インパクトイオン化係数の近似

・ブレークダウン電圧のドーピング濃度依存性

・最大空乏層幅のドーピング濃度依存性

・臨界電界のドーピング濃度依存性

（１０）特性オン抵抗 vs. ブロッキング電圧特性

（１１）オーミック接触とショットキー接触

(5)

半導体材料の基本特性

項目 Si 4H-SiC GaN

エネルギーバンド

ギャップEG(eV) 1.11 3.26 3.44 比誘電率 11.7 9.7 10.4

熱伝導率(W/cm K) 1.5 3.7 1.3

電子親和力(eV) 4.05 3.8 4.1

伝導帯の

状態密度NC(cm^-3) 2.80×10¹⁹ 1.23×10¹⁹ 2.3×10¹⁸ 価電子帯の

状態密度NV(cm^-3) 1.04×10¹⁹ 4.58×10¹⁸ 4.6×10¹⁸

GaN

(1) S. J. Pearton, C. R. Abernathy and F. Ren, “Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors, and Spintronics”, Springer-Science, New York, 2006.

(2) T. Haneda, “Basic Properties of ZnO, GaN, and Related Materials”, in ‘Oxide and Nitride Semiconductors: Processing, Properties, and Applications’, ED. T. Yao and S-K. Hong, Springer-Science, New York, 2009.

(3) “GaN-Gallium Nitride”, www.ioffe.rssi.ru.

(4) J. F. Muthet al., “Absorption Coefficient, Energy Gap, Exciton Binding Energy, and Recombination Lifetime of GaNobtained from Transmission Measurements”, Applied Physics Letters, Vol. 71, pp. 2527-2574, 1997.

SiC Si

(1) G. L. Harris, "Properties of Silicon Carbide", IEE Inspec, 1995

(2) M. Ruff, H. Mitlehner and R. Helbig, "SiC Devices: Physics and Numerical Simulations", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-41, pp. 1040-1054, 1994.

(3) N.G. Wright et al., "Electrothermal Simulation of 4H-SiC Power Devices", Silicon Carbide, III-Nitrides, and Related Materials - 1997, Material Science Forum, Vol. 264, pp. 917-920, 1998.

(1) S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", John Wiley and Sons, 1981

(6)

エネルギーバンドギャップの温度依存性

𝐸

_𝐺

Si = 1.169 − 4.9 × 10

⁻⁴

𝑇

²

𝑇 + 655

𝐸

_𝐺

4H − SiC = 3.3 − 8.20 × 10

⁻⁴

𝑇

²

𝑇 + 1800 𝐸

_𝐺

GaN = 3.51 − 9.09 × 10

⁻⁴

𝑇

²

𝑇 + 830

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

300 350 400 450 500 550 600

Energy Band Gap (eV)

Temperature (K)

GaN

Si 4H-SiC

(1) T. Haneda, “Basic Properties of ZnO, GaN, and Related Materials”, in ‘Oxide and Nitride Semiconductors: Processing, Properties, and Applications’, ED. T. Yao and S-K. Hong, Springer-Science, New York, 2009.

GaN

(1) S.M. Sze and K.K. Ng, "Physics of Semiconductor Devices”, Third Edition, PP. 15-16, John Wiley, New York, 2007.

Si

(1) T. Kimoto and J.A. Cooper, "Fundamentals of Silicon Carbide Technology", pp. 17-18, John Wiley, New York, 2014.

4H-SiC

T:

絶対温度（

K

）エネルギーバンドギャップの温度依存性

（

E

_Gは温度上昇に伴い緩やかに低下する）

(7)

真性キャリア密度の温度依存性

1E-12 1E-09 1E-06 1E-03 1E+00 1E+03 1E+06 1E+09 1E+12 1E+15 1E+18

1.5 2 2.5 3 3.5

Intrinsic Carrier Concentration (cm-3)

1000/Temperature (1/K)

GaN

Si

4H-SiC

𝑛

_𝑖

Si = 3.87 × 10

¹⁶

𝑇

^{3 2}^Τ

𝑒

⁻ ^7.02×10³ ^Τ^𝑇

1E-12 1E-10 1E-08 1E-06 1E-04 1E-02 1E+00 1E+02 1E+04 1E+06 1E+08 1E+10 1E+12 1E+14 1E+16 1E+18

300 350 400 450 500 550 600

Intrinsic Carrier Concentration (cm-3)

_𝑉

𝑒

⁻ ^𝐸^𝐺^{(𝑇) 2𝑘𝑇}^Τ

真性キャリア密度⁽¹⁾

n

_i

n: 電子密度 p: 正孔密度

E_G: エネルギーバンドギャップ k: ボルツマン定数

真性キャリア密度の温度依存性真性キャリア密度の温度依存性

（

n

_iは温度上昇に伴い大きく増加する）

(8)

ビルトイン電位の温度依存性

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

300 350 400 450 500 550 600

Built-in Potential of P-N Junction (V)

Temperature (K)

𝑉

_𝑏𝑖

= 𝑘𝑇

𝑞 ln 𝑁

_𝐴⁻

𝑁

_𝐷⁺

𝑛

_𝑖²

■ ビルトイン電位

𝑁

_𝐴⁻

= 1 × 10

¹⁶

cm

⁻³

𝑁

_𝐷⁺

= 1 × 10

¹⁹

cm

⁻³

GaN

Si

4H-SiC

アクセプタ濃度ドナー濃度

q:

電子の電荷の大きさ

N

⁺

P ダイオードのビルトイン電位の温度依存性 _V

_biは温度上昇に伴い緩やかに低下する

(9)

空乏領域幅のドーピング濃度依存性

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

Zero-Bias Depletion Width (μm)

Doping Concentration (cm^-3)

𝑊

₀

= 2𝜀

_𝑆

𝑉

_𝑏𝑖

𝑞𝑁

_𝐷

Si GaN

4H-SiC

T=300K

𝑁

_𝐴⁺

= 1 × 10

¹⁹

cm

⁻³

■ ゼロバイアスの空乏領域幅

アクセプタ濃度

P

⁺

N ダイオードのゼロバイアス空乏領域幅

ε

_S

: 半導体の誘電率

(10)

インパクトイオン化係数

𝛼 = 𝑎𝑒

^{−𝑏 𝐸}^Τ

■ インパクトイオン化係数 α

移動粒子（電子または正孔）が電界中を単位長さ（

1cm

）走行することによって生成される電子・正孔対の数

a, b:

定数

E:

電流方向の電界成分

𝑎_𝑛 = 7 × 10⁵cm⁻¹ 𝑏_𝑛 = 1.23 × 10⁶ V/cm

𝑎_𝑝 = 1.6 × 10⁶cm⁻¹ 𝑏_𝑝 = 2.0 × 10⁶ V/cm

1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05

1E+05 1E+06 1E+07

Impact Ionization Coefficient (1/cm)

Electric Field (V/cm) α_n(Si)

α_p(Si)

α_n(4H-SiC-K) α_p(4H-SiC-K)

（正孔）

𝑎_𝑛 = 1.5 × 10⁵ cm⁻¹ 𝑏_𝑛 = 1.41 × 10⁷ V/cm

𝑎_𝑝 = 6.4 × 10⁵cm⁻¹ 𝑏_𝑝 = 1.46 × 10⁷V/cm 𝑎_𝑛 = 3.13 × 10⁸ cm⁻¹

𝑏_𝑛 = 3.45 × 10⁷ V/cm

𝑎_𝑝 = 8.07 × 10⁶cm⁻¹ 𝑏_𝑝 = 1.5 × 10⁷ V/cm

𝑎_𝑝 = 6.46 × 10⁶ −1.07 × 10⁴𝑇 cm⁻¹ 𝑏_𝑝 = 1.75 × 10⁷V/cm

インパクトイオン化係数の電界依存性

Chynoweth’s Law

Ozbeck and Baliga Konstantinov and coworkers

Raghunathan and Baliga

Baliga

(11)

バルク電子移動度のドーピング濃度依存性

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

1E+14 1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 1E+19 1E+20

ドナードーピング濃度

(cm

^-3

)

(1) M. Ruff, H. Mitlehner and R. Helbig, "SiC Devices: Physics and Numerical Simulations", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-41, pp. 1040-1054, 1994.

(1) S.J. Pearton, C.R. Abernathy and F. Ren, "Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors, and Spintronics", Springer Science, New York, 2006.

(2) S.J. Pearton et al.，“Fabrication and Performance of GaNElectronic Devices’’，Material Science and Engineering Research, Vol. 30,pp. 55-212, 2000.

(3) T.T. Mnatsakanovet al., “Carrier Mobility Model for GaN”，Solid-State Electronics, Vol. 47, pp. 111-115, 2003.

■ バルク電子移動度のドーピング濃度依存性（室温）

4H-SiC

(1) C. Jacobini et al.，“A Review of some Charge Transport Properties of Silicon”，Solid State Electronics, Vol. 20, pp. 77-89, 1977.

Si

GaN

バルク電子移動度のドーピング濃度依存性

(12)

バルク電子移動度の温度依存性

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

300 350 400 450 500

Electron Mobility (cm2/Vs)

Temperature (K)

𝜇

_𝑛

(Si) = 1360 𝑇 300

−2.42

GaN Si

4H-SiC

𝜇

_𝑛

(4H − SiC) = 1140 𝑇 300

−2.70

𝜇

_𝑛

(GaN) = 1000 𝑇 300

−2

■ バルク電子移動度の温度依存性（低濃度領域）

4H-SiC Si GaN

(1) C. Canaliet al., “Electron Drift Velocity in Silicon”，Phys. Rev. Vol. B12, pp. 2265-2284, 1975.

(1) S.J. Pearton et al.， “Fabrication and Performance of GaNElectronic Devices’’，Material Science and Engineering Research, Vol. 30,pp. 55-212, 2000.

(1) G. L. Harris, “Properties of Silicon Carbide”，IEE Inspec, 1995.

T:

絶対温度（

K

）バルク電子移動度の温度依存性

(13)

バルク正孔移動度のドーピング濃度依存性

0 100 200 300 400 500 600

1E+14 1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 1E+19 1E+20

¹⁵

+ 𝑁

_𝐴^0.85

■ バルク正孔移動度のドーピング濃度依存性（室温）

(1) C. Bulutay, “Electron Initiated Impact Ionization in AlGaNAlloys”，Semiconductor Science and Technology, Vol. 17, pp. L59-L62, 2002.

4H-SiC Si

GaN

N

_A

:

アクセプタドーピング濃度

(cm

^-3

)

(1) S.J. Pearton, C.R. Abernathy and F. Ren, "Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors, and Spintronics", Springer Science, New York, 2006.

(2) A. Akturk et al.，“Comparison of 4H-SiC Impact Ionization Models using Experiments and Self-Consistent Simulations’’，Journal of Applied Physics, (1) “GaN — Gallium Nitride”，www.ioffe.rssi.ru.

バルク正孔移動度のドーピング濃度依存性

(14)

バルク正孔移動度の温度依存性

0 100 200 300 400 500 600

300 350 400 450 500

Hole Mobility (cm2/Vs)

−4.0

GaN Si

4H-SiC

(1) C. Jacobini et al.， “A Review of some Charge Transport Propertiesof Silicon”，Solid State Electronics, Vol. 20, pp. 77-89, 1977.

■ バルク正孔移動度の温度依存性（低濃度領域）

4H-SiC Si

GaN

(1) T. Kimoto and J.A. Cooper, “Fundamentals of Silicon Carbide Technology’’，pp. 29, John Wiley, New York, 2014.

(2) A. Koizumi et al.，“Temperature and Doping Dependencies of Electrical Properties in Al-Doped 4H-SiC Epitaxial Layers”，Journal of Applied Physics, Vol. 106, 013716, 2009.

T:

絶対温度（

K

）バルク正孔移動度の温度依存性

(15)

電子速度の電界依存性

1E+05 1E+06 1E+07 1E+08

1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

Electron Velocity (cm/s)

Electric Field (V/cm)

GaN Si

4H-SiC

Si

+ 𝐸

^{1.25 0.8}

𝐸 ：電界 ( Τ V cm)

室温

■ 電子速度の電界依存性（低ドーピング濃度、室温）

注：GaN移動度のピーク：2.7×10⁷ cm/s at 1.5×10⁵ V/cm GaN移動度の飽和値：1.5×10⁵ cm/s at T=300K

(1) C. Canaliet al., “Electron and Hole Drift Velocity Measurements in Silicon”，IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-22, pp.1045-1047, 1975.

(1) I.A. Khan and J.A. Cooper, “Measurements of High-Field Transportin Silicon Carbide”，IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 47, pp. 269-273, 2000.

(2) T. Kimoto and J.A. Cooper, “Fundamentals of Silicon Carbide Technology”，pp. 28, John Wiley, New York, 2014.

(1) A.F.M. Anwar, S. Wu and R.T. Webster, “Temperature Dependent Transport Properties in GaN, Al/sub x/Ga/sub 1-xN, and In/sub x/Ga/sub 1-xN Semiconductors”， IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, pp. 567-572, 2001.

(2) M. Farahmandet al., “Monte Carlo Simulation of Electron Transport in the III-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binary and Ternaries”，IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, pp. 535-542, 2001.

(3) B. Benbakhtiet al., “Electron Transport Properties of Gallium Nitride for Microscopic Power Device Modelling”, Journal of Physics, Vol. 193, pp. 1-4, 2009.

4H-SiC Si

GaN

(16)

正孔速度の電界依存性

1E+05 1E+06 1E+07

1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

_𝑝

(GaN) = 7.0 × 10

⁶

𝐸

3.63 × 10

⁵

+ 𝐸

^{1.2 0.83}

Si

GaN

4H-SiC

■ 正孔速度の電界依存性（低ドーピング濃度、室温）

𝐸 ：電界 ( Τ V cm)

4H-SiC Si

GaN

⁽¹⁾ J.C. Cao and X.L. Lei, “Non-parabolic Multi-valley Balance equation approach to Impact Ionization: Application to Wurtzite GaN”， European Physics Journal, Vol. B7, pp. 79-83, 1999.

(1) B.J. Baliga，“Fundamentals of Power Semiconductor Devices”，Chapter 6, Springer-Science, New York, 2008.

(1) B.J. Baliga，“Gallium Nitride and Silicon Carbide Power Devices”，Chapter 2, World Scientific, New Jersey, 2016.

正孔速度の電界依存性

(17)

インパクトイオン化係数の近似

1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05

1E+05 1E+06 1E+07

Impact Ionization Coefficient (1/cm)

Electric Field (V/cm) α_n(Si)

α_p(Si)

α_n(4H-SiC) α_p(4H-SiC)

α_p(GaN) α_n(GaN) Baliga’s

power low for Si

■ Fulop のインパクトイオン化係数モデル（ Si ）

■ Baliga のインパクトイオン化係数モデル（ Si ）

■ Baliga のインパクトイオン化係数モデル（ 4H-SiC ）

■ Baliga のインパクトイオン化係数モデル（ GaN ）インパクトイオン化係数モデルの電界依存性

（注：

Fulop

のモデルではブレークダウン電圧を

(18)

ブレークダウン電圧のドーピング濃度依存性

1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

Breakdown Voltage (V)

Si

GaN 4H-SiC

𝐵𝑉

_𝑃𝑃

Si = 4.45 × 10

¹³

𝑁

_𝐷^{−3 4}^Τ

■ Si の BV

_PP

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

■ 4H-SiC の BV

_PP

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

■ GaN の BV

_PP

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

𝐵𝑉

_𝑃𝑃

4H − SiC = 1.67 × 10

¹⁵

𝑁

_𝐷^{−3 4}^Τ

𝐵𝑉

_𝑃𝑃

GaN = 2.82 × 10

¹⁵

𝑁

_𝐷^{−3 4}^Τ

BV

_PP

: 平行平板（階段 P

⁺

N 接合）のブレークダウン電圧 BV

_PP

(V), N

_D

(cm

^-3

)

ブレークダウン電圧のドーピング濃度依存性同じ

BV

_PPでは、

4H-SiC

と

GaN

のドーピング濃度は

Si

のものより約

2

桁高い

(19)

最大空乏領域幅のドーピング濃度依存性

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

Maximum Depletion Width (μm)

Si

GaN

4H-SiC

𝑊

_𝑃𝑃

Si = 2.404 × 10

¹⁰

𝑁

_𝐷^{−7 8}^Τ

■ Si の W

_PP

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

■ 4H-SiC の W

_PP

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

■ GaN の W

_PP

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

𝑊

_𝑃𝑃

4H − SiC = 1.34 × 10

¹¹

𝑁

_𝐷^{−7 8}^Τ

𝑊

_𝑃𝑃

GaN = 1.80 × 10

¹¹

𝑁

_𝐷^{−7 8}^Τ

W

_PP

: 最大空乏領域幅（ BV 時の空乏層幅）

W

_PP

(cm), N

_D

(cm

^-3

) 最大空乏領域幅のドーピング濃度依存性

同じ

W

_PPでは、

4H-SiC

と

GaN

のドーピング濃度は

Si

のものより約

1

桁高い

(20)

臨界電界（ブレークダウン）のドーピング濃度依存性

1E+05 1E+06 1E+07

1E+13 1E+14 1E+15 1E+16 1E+17

Critical Electric Field for Breakdown (V/cm)

Si GaN

4H-SiC

𝐸

_𝐶

Si = 3.70 × 10

³

𝑁

_𝐷^{1 8}^Τ

■ Si の E

_C

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

■ 4H-SiC の E

_C

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

■ GaN の E

_C

（ Baliga のインパクトイオン化係数モデル）

𝐸

_𝐶

4H − SiC = 2.49 × 10

⁴

𝑁

_𝐷^{1 8}^Τ

𝐸

_𝐶

GaN = 3.13 × 10

⁴

𝑁

_𝐷^{1 8}^Τ

E

_C

: 臨界電界（ブレークダウン時の最大電界）

E

_C

(V/cm), N

_D

(cm

^-3

)

臨界電界のドーピング濃度依存性

4H-SiC

と

GaN

の

E

_C は

Si

のものより約

1

桁高い

(21)

特性オン抵抗 vs. ブロッキング電圧特性（ Si, SiC, GaN ）

1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01

Si

GaN 4H-SiC

■ Si の特性オン抵抗

■ GaN の特性オン抵抗

■ 4H-SiC の特性オン抵抗

特性オン抵抗

特性オン抵抗とブレークダウン電圧の関係

4H-SiC

と

GaN

の

R

on,sp(ideal) は

Si

のものより約

3

桁低い

(22)

4H-SiC へのオーミック接触

■ N 型 4H-SiC へのオーミック接触

^(1)-(3)

■ P 型 4H-SiC へのオーミック接触

^{(4), (5)}

(a) 表面のN⁺領域の形成：N（窒素）、P（リン）、またはAs（砒素）の高温イオン注入 (b) 高温アニール

(c) 表面のN⁺領域へNi、Tiをデポジション後 950-1000℃ で数分アニール (d) コンタクトの特性抵抗：10^-5 Ωcm²以下を達成

(1) S. Imai et al., “Hot-Implantation of Phosphorus Ions into 4H-SiC”，Silicon Carbide and Related Materials –1999, Materials Science Forum, Vol. 338-342, pp.

861-864, 2000.

(2) S. Tanimotoet al., “Ohmic Contact Structure and Fabrication Process Applicable to Practical SiCDevices”，Silicon Carbide and Related Materials –2001, Materials Science Forum, Vol. 389-393, pp.879-884, 2002.

(3) T. Marinovaet al., “Nickel based Ohmic Contacts on SiC”，Material Science and Engineering, Vol. B46, pp. 223-226, 1997.

(a) 表面のP⁺領域の形成：Al（アルミ）高温イオン注入 (b) 高温アニール

(c) 表面のP⁺領域へ、Ti、TiCをデポジション後 800℃で数分アニール (d) コンタクトの特性抵抗：2-4×10^-5 Ωcm²を達成

(4) J. Crofton et al., “Titanium and Aluminum-Titanium Ohmic Contacts to p-type SiC”，Solid State Electronics, Vol. 41, pp. 1725-1729, 1997.

(5) S.K. Lee et al.,“Electrical Characterization of TiC Contacts to Aluminum Implanted 4H-SiC”，Applied Physics Letters, Vol. 77，pp.1478-1480, 2000.

(23)

GaN へのオーミック接触

■ N 型 GaN へのオーミック接触

^{(1)- (6)}

(a) GaN HEMTのソース/ドレインへのオーミック接触に使用されるメタルシステム（広く使用されているシステム）

⇒Ti/Al/Ni/Au (25nm/ 150nm/50nm/100nm)スタック構造 (b) アニール（ 870℃、30秒）によりオーミック接触形成

⇒メタルが上層のAlGaNを通過してGaNに入り2DEG（２次元電子ガス）と繋がる⁽⁷⁾

(c) コンタクトの特性抵抗： 2×10^-6 Ωcm²（横デバイスに関してのコンタクト抵抗： 0.1Ω/cm(ゲート幅)）

(1) B.T. Hughes et al.，‘’Fabrication and Characterization ofAlGaN/GaNHFETs on MOVPE Layers”，Symposium Performance Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Applications, pp. 59-64, 1999.

(2) S. Joblotet al.,“AlGaN/GaNHEMTs on(001)silicon Substrates”, Electronics Letters, Vol. 42, No. 2, 2006.

(3) T.J. Anderson et al., “An AIN/Ultrathin AlGaN/GaN HEMT Structure for Enhancement-Mode Operation using Selective Etching”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 30,pp. 1251-1253, 2009.

(4) G. Li et al., “Threshold Voltage Control in AlGaN/AlN/GaNHEMTs by Work Function Engineering”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-31, pp. 954-956, 2010.

(5) A.D. Koehler et al., “Atomic Layer Epitaxy AIN for Enhanced AlGaN/GaNHEMT Passivation”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-34, pp. 1115-1117, 2013.

(6) Y-H Wang et al., “6.5 V High Threshold Voltage AlGaN/GaN Power MIS HEMT using MutlilayerFluorinated Gate Stack”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-36, pp. 381-383, 2015.

(7) Y. Dora et al., “Effect of Ohmic Contacts on Buffer Leakage of GaNTransistors”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-27, pp.529-531, 2006.

(24)

4H-SiC と GaN へのショットキー接触

■ N 型 4H-SiC へのショットキー接触

^(1)-(3)

(a) 4H-SiCへのショットキー接触に使用されるメタル：Ti、Ni (b) ショットキー障壁 ⇒Ti: 1.10-1.25 eV、Ni:1.30-1.60 eV

(1) A. Kestleet al., “A UHV Study of Ni/SiCSchottky Barrier and Ohmic Contact Formation”，Silicon Carbide and Related Materials -1999, Materials Science Forum, Vol. 338-342, pp. 1025-1028, 2000.

(2) K.V. Vassilevskiet al., “4H-SiC Schottky Diodes with high On/Off Current Ratio”，Silicon Carbide and Related Materials -2001, Materials Science Forum, Vol. 389-393, pp. 1145-1148, 2002.

(3) R. Raghunathan, D. Alok and B.J. Baliga, “High Voltage 4H-SiC Schottky Barrier Diodes”, IEEE Electron Device letters, Vol. EDし16, pp. 226-227, 1995.

■ GaN HEMT のゲートへのショットキー接触

^(4)-(7)

(a) GaN HEMTのゲートへのショットキー接触に使用されるメタルシステム： Ni/Au (50nm/250nm)スタック構造 (b) ショットキー障壁 ⇒Ni: 0.71 eV（比較的に低い値⇒高いリーク電流を発生させる）

(4) G. Li et al., “Threshold Voltage Control in AlGaN/AlN/GaNHEMTs by Work Function Engineering”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-31, pp. 954-956, 2010.

(5) A.D. Koehler et al., “Atomic Layer Epitaxy AIN for Enhanced AlGaN/GaNMEMT Passivation”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-34, pp. 1115-1117, 2013.

(6) Y. Dora et al., “Effect of Ohmic Contacts on Buffer Leakage of GaNTransistors”，IEEE Electron Device letters, Vol. EDL-27, pp.529-531, 2006.

(7) G.H. Jessen et al., “Gate Optimization of AlGaN/GaN HEMTs using WSi, Ir,Pd, and Ni Schottky Contacts”, IEEE Gallium Arsenide Integrated Circuits Symposium, pp. 277-279, 2003.

(25)

ワイドギャップ半導体の各パワーデバイス特性

（１）ショットキーダイオード (4H-SiC 、 GaN)

（２） PiN ダイオード (4H-SiC)

（３）パワー MOSFET(4H-SiC)

（４） IGBT(4H-SiC)

（５） GaN HEMT

(26)

（１）ショットキーダイオードの構造と等価回路

（２）ショットキー障壁のエネルギーバンド

（３）電流・電圧特性

（４）順方向特性

（５）逆方向特性

ショットキーダイオード

(27)

ショットキーダイオードの構造と等価回路

メタル N- ドリフト領域 N

^＋

基板

アノードカソード

R

_D

R

_SUB

ドリフト抵抗基板抵抗

(28)

エネルギーバンド（メタルと半導体：分離）

メタル N 型半導体

qΦ

_M

: メタル仕事関数 qΦ

_S

: 半導体仕事関数 E

_FM

: メタルフェルミレベル E

_FS

: 半導体フェルミレベル qχ

_S

: 電子親和力

E

_V

真空準位真空準位

qΦ

_M

> qΦ

_S

左図のメタル

/N

型半導体の場合

メタルと N 型半導体接触前のエネルギーバンド

(29)

エネルギーバンド（メタルと半導体：接触）

W

0

ショットキー障壁

空乏層 𝑊

₀

= 2𝜀

_𝑠

𝑉

_𝑏𝑖

𝑞𝑁

_𝐷

メタル N 型半導体

■ ショットキー障壁

■ ビルトイン電位 V

_bi

𝑞𝜙

_𝐵

= 𝑞𝜙

_𝑀

− 𝑞𝜒

_𝑆

= 𝑞𝑉

_𝑏𝑖

+ 𝐸

_𝐶

− 𝐸

_𝐹𝑆

𝑞𝑉

_𝑏𝑖

= 𝑞𝜙

_𝑀

− 𝑞𝜙

_𝑆

= 𝐸

_𝐹𝑆

− 𝐸

_𝐹𝑀

メタルと N 型半導体接触時のエネルギーバンド（熱平衡状態）

(30)

順方向バイアス時のエネルギーバンド

メタル（正） N 型半導体（負）

(a)

(b) (c) (d)

キャリアの流れ

(a) 熱電子放出（支配的）

(b) トンネル電流

印加

（ N 型半導体に対しメタルに正電圧印加）

電流

𝑞𝑉

_𝐹

空間電荷領域

ユニポーラデバイス

(31)

電流・電圧特性（順方向）

𝐽 = 𝐴𝑇

²

𝑒

⁻ ^𝑞𝜙^𝐵^Τ^𝑘𝑇

𝑒

^𝑞𝑉^𝐴𝑆^Τ^𝑘𝑇

− 1

■ ショットキー障壁を横切る電流密度 J ^A:

^{リチャードソン定数}

V

_AS

:

ショットキー障壁に掛かる電圧

■ 順方向電流密度 J

_F

𝐽

_𝐹

= 𝐴𝑇

²

𝑒

^𝑞𝑉^𝐹𝑆^Τ^𝑘𝑇

− 1

J

_S

: 飽和電流密度

𝐽

_𝑆

= 𝐴𝑇

²

𝑒

𝑉

_{𝐹𝑆𝐴𝐾}

ショットキー障壁に掛かる

順方向バイアス

V

_FS

= V

_AS

⁻²

cm

⁻²

(GaN)

𝐴 = 146 AK

⁻²

cm

⁻²

(4H − SiC)

(32)

飽和電流のショットキー障壁高さ依存性

1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Saturation Current Density (A/cm2)

Schottky Barrier Height (eV)

飽和電流密度のショットキー障壁高さ依存性（ Si ）

𝐽

_𝑆

= 𝐴𝑇

²

exp − 𝑞𝜙

_𝐵

𝑘𝑇

■ 飽和電流密度 J

_S

Si デバイスの典型的な Φ

_B

=0.7 eV

→ J

_S

≒ 1 × 10

^-5

A/cm

²

at T=300 K

𝑇:

絶対温度

𝑞:

電子電荷の大きさ

𝑘:

ボルツマン定数

𝜙

_𝐵

:

ショットキー障壁の高さ

T (K)

500 450

350 400 300

(33)

飽和電流のショットキー障壁高さ依存性

1E-20 1E-18 1E-16 1E-14 1E-12 1E-10 1E-08 1E-06 1E-04 1E-02 1E+00

0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9

1E-20 1E-18 1E-16 1E-14 1E-12 1E-10 1E-08 1E-06 1E-04 1E-02 1E+00

0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9

飽和電流密度のショットキー障壁高さ依存性（

4H-SiC

）

4H-SiC デバイスの典型的な Φ

_B

=1.3 eV

→ J

_S

≒ 1 × 10

^-15

A/cm

²

at T=300 K

飽和電流密度のショットキー障壁高さ依存性（

GaN

）

GaN デバイスの実際の Φ

_B

=0.5 ～ 0.7 eV

→ J

_S

≒ 1 × 10

^-5

A/cm

²

at T=300 K （ Si と同程度）

T (K)

500 450

400 350 300

T (K)

500 450

400 350 300

(34)

理想ショットキーダイオードの順方向特性（１）

𝑉

_𝐹

= 𝑘𝑇

𝑞 ln 𝐽

_𝐹

𝐽

_𝑆

+ 𝑅

_{𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡}

+ 𝑅

_𝑠𝑢𝑏

𝐽

_𝐹

■ 順方向電圧 V

_F

と順方向電流密度 J

_F

の関係

𝑅

: ドリフト領域の単位面積当たりの抵抗（特性抵抗）

𝑅

_𝑠𝑢𝑏

: 基板の単位面積当たりの抵抗（特性抵抗）

0 1 2 3 4 5

1 10 100 1000

Forward Voltage Drop (V)

Forward Current Density (A/cm²)

𝝓

_𝑩

𝐒𝐢 = 𝟎. 𝟕 𝐞𝐕

BV (V)

50 100 300 200

500

基板抵抗を含まない

（典型値）

BV ＞ 100 V → ドリフト領域の抵抗大

⇒ 動作電圧＜ 100 V

順方向電圧と順方向電流密度の関係（

Si

）

(35)

理想ショットキーダイオードの順方向特性（２）

0 1 2 3 4 5

1 10 100 1000

0 1 2 3 4 5

1 10 100 1000

𝝓

_𝑩

𝟒𝐇 − 𝐒𝐢𝐂 = 𝟏. 𝟔 𝐞𝐕 𝝓

_𝑩

𝐆𝐚𝐍 = 𝟎. 𝟕 𝐞𝐕

BV (V)

500 1000 30002000

5000

BV (V)

500 1000 2000

5000 3000

（

Ni

ショットキーコンタクトの典型値）

基板抵抗を含まない

BV ＞ 3000 V → ドリフト領域の抵抗大

⇒ 動作電圧＜ 3000 V

（中高耐圧の IGBT を使うシステムで使用）

（典型値）

BV ＞ 5000 V → ドリフト領域の抵抗大

⇒ 動作電圧＜ 5000 V

（高耐圧の IGBT を使うシステムで使用）

4H-SiC

）順方向電圧と順方向電流密度の関係（

GaN

）

(36)

ショットキーダイオードの順方向特性（１）

基板抵抗を含む

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

1 10 100 1000

Forward Current Density (A/cm²) 実線：基板抵抗なし

破線：基板抵抗あり

𝝓

_𝑩

𝐒𝐢 = 𝟎. 𝟕 𝐞𝐕

（典型値）

BV (V)

50 100

基板の厚み：200 μm 基板の比抵抗：1 mΩcm

基板の特性抵抗：2×10^-5 Ωcm²

基板抵抗の影響は少ない

Si

）

(37)

1.0 1.5 2.0 2.5

1 10 100 1000

ショットキーダイオードの順方向特性（２）

基板抵抗を含む

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1 10 100 1000

Forward Current Density (A/cm²) 基板の厚み：350 μm

基板の比抵抗：20 mΩcm

基板の特性抵抗：7×10^-4 Ωcm²

基板の厚み：350 μm 基板の比抵抗：10 mΩcm

基板の特性抵抗：3.5×10^-4 Ωcm²

𝝓

_𝑩

𝟒𝐇 − 𝐒𝐢𝐂 = 𝟏. 𝟔 𝐞𝐕 𝝓

_𝑩

𝐆𝐚𝐍 = 𝟎. 𝟕 𝐞𝐕

（

Ni

ショットキーコンタクトの典型値）（典型値）

BV (V)

500 1000

BV (V)

500 1000

実線：基板抵抗なし破線：基板抵抗あり

4H-SiC

）順方向電圧と順方向電流密度の関係（

GaN

）

(38)

ショットキーダイオードの順方向特性（３）

ショットキー障壁高さ依存性

𝑉

_𝐹

= 𝜙

_𝐵

+ 𝑘𝑇

𝑞 ln 𝐽

_𝐹

𝐴𝑇

²

+ 𝑅

_𝑠𝑢𝑏

𝐽

_𝐹

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

1 10 100 1000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1 10 100 1000

Forward Current Density (A/cm²) Φ_B(eV)

1.4 1.7 1.8 1.6

1.5

4H-SiC

）

Φ_B(eV)

0.5 0.8 0.9 0.7

0.6

（基板抵抗を含まない）

BV= 1000 V BV= 1000 V

■ 障壁高さ Φ

_B

の上昇に伴い順方向電圧 V

_F

は増大する

GaN

）

(39)

順方向電圧の温度変化

ショットキー障壁高さ依存性

（ドリフト抵抗と基板抵抗を含まない）

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

300 350 400 450 500

Temperature (K)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

300 350 400 450 500

■ 障壁高さ Φ の上昇に伴い V は増大する

Φ_B(eV)

1.4

1.8 1.6 1.7

1.5

Φ_B(eV)

0.5

0.9 0.8 0.7 0.6

順方向電圧の温度依存性（

4H-SiC

）順方向電圧の温度依存性（

GaN

）

ワイドギャップ半導体 パワーデバイスの基本特性