大口径電子デバイス用エピ基板の開発

GaN/Si半導体の研究・技術動向

江川孝志

名古屋工業大学

極微デバイス機能システム研究センター

e-mail:egawa.takashi@nitech.ac.jp

発 表 内 容

１．MOCVD法を用いたヘテロエピタキシャル成長

（１）各種基板上のGaNの比較‐Si基板の利点‐

（２）Si基板上のGaN結晶成長‐厚膜化及び高品質化‐

（３）ピットの発生

（４）国内外の研究開発動向

２．Si基板上AlGaN/GaN

HEMTの諸特性

（１）縦方向及び横方向耐圧の総膜厚依存性

（２）ピットの与える影響

（３）パワーデバイスへの応用

３．まとめ

GaNパワーデバイス開発の意義

一次エネルギー消費量（国内）

4.70 億t （石油換算）

36%

照明以外（パワー

デバイス利用）

1.70億t

照明：0.32億t （GaN

LED）

海外

約２５倍

一人当たりのＣＯ

発生量

37ｋｇ/日

パワーエレクトロ

ニクス分野での

省エネが重要

7%

パワーデバイスのマーケット推定

(2030年)

国内

デバイス：約6900億円/年

海外

デバイス：約5兆5000億円/年

CO

削減効果：デバイスとして既存のSi半導体に対し70-90％減

日本国内のCO

排出量約13.5億㌧に対し4％減(2025年)、6％(2030年)

SiC, GaN bulk,

GaN/Si

材料的特長：

１．大きなバンドギャップ：3.4 eV

２．大きな破壊電界：2x10

_V/cm

３．大きな飽和速度：2.7x10

_cm/s

４．ヘテロ構造(AlGaN/GaN)の作製

５．大きなシートキャリア密度(Ns):

Ns~1x10

_cm

６．Asを含まない(cf. GaAs)

応用分野：

１．紫外、青、緑、赤の発光デバイス

１）白色ランプ：蛍光灯の代替え

（水銀無し、省エネ）

２）DVD用のレーザー：４倍の記録密度

２．高周波・高出力・高温動作の電子デバイス

１）携帯電話用基地局

２）スイッチング用電源

（パワーデバイス）

３．紫外線、ガスセンサー

窒化物(GaN)系半導体材料の特徴

各種半導体材料の高出力デバイスとしての物性値と性能指数

パワーデバイスとしての性能指数：

バリガ指数(BFM)=

εμEc

3

絶縁破壊電界（Ec）が大きいワイドバンドギャップ半導体

GaN

≫

SiC

≫

GaAs

≫Si

材料 Eg eV ε μ cm2/Vs Ec 106V/cm vs 107 cm/s κ W/cmK JFM (Ecvs/π)2 KFM κ(vs/ε)1/2 BFM εμEc3 BHFM μEc2 Si 1.1 11.8 1350 0.3 1.0 1.5 1 1 1 1 GaAs 1.4 12.8 8500 0.4 2.0 0.5 7.1 0.45 15.6 10.8 GaN 3.39 9.0 900 3.3 2.5 1.3 760 1.6 650 77.8 6H-SiC 3.0 9.7 370, 50 2.4 2.0 4.5 260 4.68 110 16.9 4H-SiC 3.26 10 720, 650 2.0 2.0 4.5 180 4.61 130 22.9

オン抵抗の比較

GaNが有利

高

_耐

圧

で低

抵

_抗

GaN系半導体の特徴‐Si,GaAsとの比較‐

広帯域無線ネットシステム

各種基板の比較

大口径化 コスト 高出力化 総合評価

GaＮ/Si

◎

◎

○

◎

GaN/SiC

△

△

◎

○

GaN/サファイア

○

○

△

△

ＧａＮ／ＧａＮ

△

△

○

△

ＳｉＣ

△

△

◎

○

各種基板の比較

Si基板が有利

既存のプロセスラインの利用

（新たな設備投資が不要）

コスト面から見た既存Si半導体、競合技術との比較

●デバイス化した際のコストを考えたときに、最も影響が大きいのは

基板コスト

。

基板にSiを用いることは、圧倒的なコスト競争力を持つこととなる。

SiCデバイスの場合、

→SiC基板の大口径化とともに、Siと競争できる低コスト化を実現することが必要。

GaNデバイスの場合、

→GaN基板の実用化の目処がたっておらず、Siと競争できる低コスト化を実現することは困難。

→サファイア基板は、放熱性に問題がある。

→Si基板は、既存のデバイスプロセスラインの活用が可能となることなど、

基板そのもののコスト競争力

を

有する。既存のSiデバイス製造ラインを活用することで、デバイスメーカの

膨大な設備投資が不要

となる。

SiCデバイス

GaN/ｻﾌｧｲｱﾃﾞﾊﾞｲｽ

Ｓｉデバイス

GaN/Ｓｉデバイス

GaN/GaNデバイス

GaN/Si大電力用パワーデバイスによる小型化・軽量化

現在、普及しているSiパワーMOSFET10個分を1チップで実現

1.8

cm

1.8

cm

2 cm

1.6 cm

SiパワーMOSFET：10個分

1個のGaN/Siパワーデバイス

小型化・軽量化

海外でのGaN/Siの研究開発動向

EU

MORGaN プロジェクト 11ヶ国24企業・機関による共同研究

AIXTRON, MicroGaN, Gooch&Housego，THALES，SWEREAなど、研究費 € 9.2 million（2009より３3年間） 狙い：厳しい環境で使用可能な GaNｾﾝｻ、RFﾄﾗﾝｼﾞｽﾀの開発

LAST POWER プロジェクト 42ヶ月間、欧州多国間14企業参加

STMcroelectronicsが中心となり、先進的なSiC及びGaN/Siのコスト効率と信頼性の統合を開発, NEULAND プロジェクト ドイツの企業6社（Aixtronなど）が参加

研究費 €4.2 million（2010より3年間）GaN/SiやSiCなどを使い、エネルギー効率が高く、低コストのパワーデバイスを開発。 G2_{REC STMicroelectroncsが中心、Sitronics, Novasicなど4社、2大学参加。 6ｲﾝﾁSi上に耐圧600VのSBDを開発、}

2007年より4年計画で€15 million

STMicroelectronics社 狙い：低損失GaNダイオード（2013年の製品化を狙う）

Freescale社 CNRS-CREHAとの共同研究狙い：高出力 GaN/Si MOSHEMT(ﾊﾞｲｱﾎｰﾙによる縦型デバイス)

IMEC 2012年までにGaN/Siの8インチ化を計画 （Applied Material, Dow Corning, Samsung)

アメリカ

TRIQUINT社 BAE Systems, IQE-RF Corp.,Lockheed Martin; II-VI Inc. との共同研究

研究費（ Phase III） $31.7 million.（2009より2年間） 、狙い：48V駆動でのﾃﾞﾊﾞｲｽ信頼性、寿命の向上

Northrop Grumman社 University of California Santa Barbara, Arizona State University and Pennsylvania State University 研究費（PhaseⅠ） $12.4 million 、狙い：高耐圧で500GHｚ駆動可能なGaNデバイスの開発

Nitronex社 GaN/Si技術を活用したHEMT構造ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀを販売（2007～）

Efficient Power Conversion社 GaN/Si (6ｲﾝﾁ）技術を使って40～200V耐圧のﾊﾟﾜｰﾄﾗﾝｼﾞｽﾀを開発し、 販売開始（2010～） International Rectifier社 GaN/Siを使い、ﾊﾟﾜｰMOSFETを量産中、売上10億ﾄﾞﾙ規模

Cree 社 GaN/Siのヘテロエピタキシャル技術、パワーデバイス

シンガポール

A-Starプロジェクト GaN/Siに関して、 Nanyang Technological University, Standard Chartered(ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙﾌｧﾝﾄﾞﾘｰ) 8インチのGaN/Siパワーデバイス(4月より立ち上げ)

台湾 TSMC社 GaN/Siパワーデバイスファンドリーサービス計画 UMC社 GaN/Siパワーデバイスファンドリーサービス計画

4インチ対応MOCVD装置

¾

_{Source gas}

¾

Group III : TMG, TMA

Group V

: NH

Dopant

: SiH

¾

_{Carrier gas}

H

, N

Growth temperature

1080-1130ºC

¾

_{Source gas}

¾

Group III : TMG, TMA

Group V

: NH

Dopant

: SiH

¾

_{Carrier gas}

H

, N

Growth temperature

1080-1130ºC

¾

Horizontal MOCVD system (Nippon Sanso, SR-4000)

Substrate

Laminar

flow region

Diffusion region

Fused quartz flow channel

Stainless steel reactor

Resistive heater

(Temperature

≈

1100℃)

Group V + carrier gas

Group III + carrier gas

Nitrogen gas

アンモニアとTMAの気相反応の制御

が重要！！

Surface morphology of n-GaN on Si

エピ層膜厚と反りの関係

格子定数：

Si > GaN > AlN

熱膨張係数： Si < GaN < AlN

SLS導入による歪緩和

①

GaN

圧縮歪

多層膜緩衝層

(AlN/GaN SLS)

Si基板

応

力

緩

和

②

厚膜化

GaN

Si基板

GaN

AlN

反りの形状

・下に凸

・成長層に引張り歪

・反りの増加

・クラック（割れ）の発生

厚膜化の考え方

素子層となるGaNに圧縮応力（応

力のカウンターバランス）を与える。

Bowing vs. total thickness of epilayer

Total thickness:9.0

μm

Crack free

Counter-balance of thermal

and lattice mismatches by SLS

i-GaN 2 μm GaN / AlN 7 μm Silicon

200 pair

50 pair

100 pair

160 pair

現状のSi基板上エピ－大口径化と厚膜化－

厚膜化

膜厚：10

μmエピ

（周辺約10

mmクラック有）

Cross-sectional TEM of AlGaN/AlN/GaN HEMT on Si

2-terminal breakdown voltage of i-GaN vs. total thickness

・Improvement of V

with the increase of total thickness

・

_V

_{=1813 V @ 9 μm}

Vertical direction

Horizontal direction

S. L. Selvaraj et al., IEEE EDL., Vol. 30, No. 6, p. 587, 2009

Surface morphology

High breakdown voltage

Low breakdown voltage

Nomarski

SEM

Cross-sectional TEM and SEM by FIB

Meltback etching due to reaction

of Ga to Si substrate

S. L. Selvaraj et al., Appl. Phys. Express 2, 111005 (2009)

SLS 4 μm

Leakage current pass

I

I

I

I

HEMTとピットの関係

G

D

S

CL intensity as a function of distance from pit

Pit density: ~ 0 cm

_{Pit density: ~ 1x10}

_cm

Device characteristics as a function of distance from pit

Pit density: 1x10

_cm

ピットの無い試料：

電流コラプス：市販エピとの比較

V

_gs

V

_ds

-6 V

0 V

OFF

0 V

100 V,..,600 V

10s

10s

R

(after)

0.5V

R

(before)

time

本研究

電流コラプスの抑制

オン抵抗と耐圧の関係

オン抵抗×面積

(m

Ω

-cm

)

0.1

1

10

100

1000

100

1000

10000

耐圧（V）

G

aN

限

界

Si

限

界

_{パナソニック}

GaN HEMT on Si

GaN HEMT on SiC

NTU

サンケン 古河電工

（フィールドプレート）

GaN HEMT on Sapphire

MIT

基板除去

Si SJMOSFET

GaN HEMT on Si (名工大)

本研究

4H

-S

iC

限

界

ま と め

１．高温成長AlGaN/AlN中間層と歪超格子を用いたSi基板上AlGaN/GaN

HEMT構造において、

（１）厚膜化：9μm

（２）横方向２端子耐圧：1813 V (10 μmギャップ)

（３）縦方向：2.3 MV/cm

（４）移動度：3215 cm

_{/Vs（室温）}

（５）三端子オフ耐圧：1402 V

（６）R

×A：7.7 mΩcm

（７）電流コラプスの抑制

２． Si基板上AlGaN/GaN HEMT構造は、パワーデバイスとして有望

謝辞：本研究の一部は、科学技術振興調整費（先導的研究等の推進）、有機金属気相成長技

術（大陽日酸）寄附研究部門、知的クラスター創成事業及び民間との共同研究等により

行われたものです。