大口径電子デバイス用エピ基板の開発

27 

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全文

(1)

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

平成24年7月9日 第13回窒化物半導体応用研究会

(2)

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)

電力消費量 2.02億t (1.03兆kWh)

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

2

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

2

排出量約13.5億㌧に対し4%減(2025年)、6%(2030年)

(新機能素子研究開発協会「次世代省エネデバイス技術調査報告書」 H20年3月 電気事業連合会「原子力・エネルギー」図面集2011、1-3)

SiC, GaN bulk,

GaN/Si

(3)

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

6

V/cm

3.大きな飽和速度:2.7x10

7

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

13

cm

-2

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

(4)

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

(5)

オン抵抗の比較

GaNが有利

で低

応用物理、大橋弘道、第73巻、第12号、p. 1571、2004年

(6)

GaN系半導体の特徴‐Si,GaAsとの比較‐

家電用インバータ 鉄道用インバータ 電気/ハイブリッド 自動車用インバータ 衝突防止用レーダー (77 GHz) 電力変換回路小型化 ・9W/cm3 (インバータ) 移動体通信地上基地局 地上ディジタル 放送中継局

広帯域無線ネットシステム

無線 基地局 PC 携帯 端末 GaN HEMT on Si サービス 機器 大容量衛星通信システム (進行波管の代替)

(7)

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)

(8)
(9)

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

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:1,600円/cm2以上 Si :80円/cm2以下 サファイア:480円/cm2 GaN :40,000 円/cm2以上

SiCデバイス

GaN/サファイアデバイス

SiC:1,500~1,600℃ GaN:1,200℃ 低コスト化 低コスト化 プロセスのコスト 結晶成長のコスト 基板のコスト

Siデバイス

Si :80円/cm2以下

GaN/Siデバイス

GaN/GaNデバイス

Panasonicの資料 を一部修正

(10)

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

「パワー半導体が拓く新市場セミナー」 電波新聞社主催、2011年2月3日

(11)

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トランジスタの開発

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。 G2REC 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(バ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駆動でのデバイス信頼性、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構造トランジスタを販売(2007~)

Efficient Power Conversion社 GaN/Si (6インチ)技術を使って40~200V耐圧のパワートランジスタを開発し、 販売開始(2010~) International Rectifier社 GaN/Siを使い、パワーMOSFETを量産中、売上10億ドル規模

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(グローバルファンドリー) 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

(12)

4インチ対応MOCVD装置

¾

Source gas

¾

Group III : TMG, TMA

¾

Group V

: NH

3 ¾

Dopant

: SiH

4

¾

Carrier gas

¾

H

2

, N

2 ¾

Growth temperature

¾

1080-1130ºC

¾

Source gas

¾

Group III : TMG, TMA

¾

Group V

: NH

3 ¾

Dopant

: SiH

4

¾

Carrier gas

¾

H

2

, N

2 ¾

Growth temperature

¾

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!!

(13)

Surface morphology of n-GaN on Si

Si基板 GaNデバイス層 低温成長AlN緩衝層 従来技術 高温成長中間層技術 Si基板 GaNデバイス層 高温成長AlGaN/AlN 中間層 GaN/AlN歪超格子 GaNデバイス層 表面の劣化 Gaによるメルトバック エッチングの抑制 AlN/AlGaN 高温成長中間層 GaN/Si 成長 低温成長緩衝層(従来技術) GaAs/Si, GaN/サファイア 温度 時 間 サーマル クリーニング

(14)

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

GaN

圧縮歪

多層膜緩衝層

(AlN/GaN SLS)

Si基板

厚膜化

GaN

Si基板

GaN

AlN

引張り歪 (熱膨張係数差) 圧縮歪 (格子定数差)

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。

(15)

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

(16)

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)

(17)

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

GaN/AlN SLS Silicon HT-AlGaN/AlN i-GaN i-AlGaN i-GaN i-AlGaN AlN:1 nm GaN AlN 20 nm AlGaN AlN Si SiN

(18)

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

・Improvement of V

B

with the increase of total thickness

V

B

=1813 V @ 9 μm

Vertical direction

Horizontal direction

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

(19)

Surface morphology

High breakdown voltage

Low breakdown voltage

Nomarski

SEM

(20)

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

(21)

Leakage current pass

Pit density:~0 Pit density: 2,500 cm-2 Pit density: 12,500 cm-2 Pit density: 34,000 cm-2

I

Drain

I

Sub

I

Gate

I

Buf VG = -5 V:ピンチオフ エピ厚:2.4 μm, Lg/Wg = 1.5/15 μm gm=190 mS/mm, ID =625 mA/mm, Vth=-2.0 V

(22)

HEMTとピットの関係

G

D

S

(23)

CL intensity as a function of distance from pit

Pit density: ~ 0 cm

-2

Pit density: ~ 1x10

3

cm

-2

(24)

Device characteristics as a function of distance from pit

Pit density: 1x10

3

cm

-2

ピットの無い試料:

(25)

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

ON

(after)

0.5V

R

ON

(before)

time

TWHM2011, T. Deguchi et al.

本研究

電流コラプスの抑制

(26)

オン抵抗と耐圧の関係

オン抵抗×面積

(m

Ω

-cm

2

)

0.1

1

10

100

1000

100

1000

10000

耐圧(V)

G

aN

Si

パナソニック

東芝

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

IR Philips

Si SJMOSFET

GaN HEMT on Si (名工大)

UCSB FBI, Germany Univ. of South Carolina UCSB

本研究

4H

-S

iC

(27)

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

2

/Vs(室温)

(5)三端子オフ耐圧:1402 V

(6)R

on

×A:7.7 mΩcm

2

(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。

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参照

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