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 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 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

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

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 × ×

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

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

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）

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 2Τ}

𝑒

^{− 7.02×103 Τ𝑇}

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)

Temperature (K)

GaN Si

4H-SiC

𝑛

_𝑖

4H − SiC = 1.70 × 10

¹⁶

𝑇

^{3 2Τ}

𝑒

^{− 2.041×104 Τ𝑇}

𝑛

_𝑖

GaN = 1.98 × 10

¹⁶

𝑇

^{3 2Τ}

𝑒

^{− 2.143×104 Τ𝑇}

𝑛

_𝑖

= 𝑛𝑝 = 𝑁

_𝐶

𝑁

_𝑉

𝑒

^{− 𝐸𝐺(𝑇) 2𝑘𝑇Τ}

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）

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

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

インパクトイオン化係数

𝛼 = 𝑎𝑒

^{−𝑏 𝐸Τ}

■ 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)

α_p(4H-SiC-R/B) α_p(GaN-O/B) α_n(GaN-O/B)

Si

（電子）

Si

（正孔）

4H-SiC

（電子）

GaN

（電子）

GaN

（正孔）

4H-SiC

（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

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

Electron Mobility (cm2 /Vs)

Doping Concentration (cm^-3)

GaN Si

4H-SiC

𝜇

_𝑛

(Si) = 5.10 × 10

¹⁸

+ 92𝑁

_𝐷^0.91

3.75 × 10

¹⁵

+ 𝑁

_𝐷^0.91

𝜇

_𝑛

(4H − SiC) = 4.05 × 10

¹³

+ 20𝑁

_𝐷^0.61

3.55 × 10

¹⁰

+ 𝑁

_𝐷^0.61

𝜇

_𝑛

(GaN) = 2.0 × 10

¹⁷

+ 60𝑁

_𝐷^0.78

2.0 × 10

¹⁴

+ 𝑁

_𝐷^0.78

N

_D

:

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

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.

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

(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

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

Hole Mobility (cm2 /Vs)

Doping Concentration (cm^-3)

GaN Si

4H-SiC

𝜇

_𝑝

(Si) = 2.9 × 10

¹⁵

+ 47.7𝑁

_𝐴^0.76

5.86 × 10

¹²

+ 𝑁

_𝐴^0.76

𝜇

_𝑝

(4H − SiC) = 4.05 × 10

¹³

+ 10𝑁

_𝐴^0.65

3.3 × 10

¹¹

+ 𝑁

_𝐴^0.65

𝜇

_𝑝

(GaN) = 1.7 × 10

¹⁷

+ 30𝑁

_𝐴^0.85

1.0 × 10

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

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)

Temperature (K)

𝜇

_𝑝

(Si) = 495 𝑇 300

−2.2

𝜇

_𝑝

(4H − SiC) = 120 𝑇 300

−3.4

𝜇

_𝑛

(GaN) = 170 𝑇 300

−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.

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

T:

絶対温度（

K

） バルク正孔移動度の温度依存性

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

GaN

4H-SiC

𝑣

_𝑛

(Si) = 9.85 × 10

⁶

𝐸

1.04 × 10

⁵

+ 𝐸

^{1.3 0.77}

𝑣

_𝑛

(4H − SiC) = 2.20 × 10

⁷

𝐸

2.27 × 10

⁵

+ 𝐸

^{1.25 0.8}

𝑣

_𝑛

(GaN) = 2.70 × 10

⁷

𝐸

3.46 × 10

⁵

+ 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

×

10

⁷

cm/s at 1.5

×

10

⁵

V/cm GaN

移動度の飽和値：

1.5

×

10

⁵

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

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

Hole Velocity (cm2/Vs)

Electric Field (V/cm)

𝑣

_𝑝

(Si) = 8.91 × 10

⁶

𝐸

1.41 × 10

⁵

+ 𝐸

^{1.2 0.83}

𝑣

_𝑝

(4H − SiC) = 1.3 × 10

⁷

𝐸

1.16 × 10

⁶

+ 𝐸

^{1.2 0.83}

𝑣

_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

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’s power low for Si

Baliga’s power low for 4H-SiC

Baliga’s power low for GaN

𝛼

_𝐹

Si = 1.8 × 10

⁻³⁵

𝐸

⁷

𝛼

_𝐵

Si = 3.507 × 10

⁻³⁵

𝐸

⁷

𝛼

_𝐵

GaN = 1.5 × 10

⁻⁴²

𝐸

⁷

𝛼

_𝐵

4H − SiC = 1.0 × 10

⁻⁴¹

𝐸

⁷

α (cm

^-1

), E(V/cm)

■ 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

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)

Doping Concentration (cm^-3)

Si

GaN 4H-SiC

𝐵𝑉

_𝑃𝑃

Si = 4.45 × 10

¹³

𝑁

_𝐷^{−3 4Τ}

■ 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 4Τ}

𝐵𝑉

_𝑃𝑃

GaN = 2.82 × 10

¹⁵

𝑁

_𝐷^{−3 4Τ}

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

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)

Doping Concentration (cm^-3)

Si

GaN

4H-SiC

𝑊

_𝑃𝑃

Si = 2.404 × 10

¹⁰

𝑁

_𝐷^{−7 8Τ}

■ 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 8Τ}

𝑊

_𝑃𝑃

GaN = 1.80 × 10

¹¹

𝑁

_𝐷^{−7 8Τ}

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

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)

Doping Concentration (cm^-3)

Si GaN

4H-SiC

𝐸

_𝐶

Si = 3.70 × 10

³

𝑁

_𝐷^{1 8Τ}

■ 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 8Τ}

𝐸

_𝐶

GaN = 3.13 × 10

⁴

𝑁

_𝐷^{1 8Τ}

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

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

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

Specific On-Resistance (Ωcm2 )

Breakdown Voltage (V)

𝑅

𝑜𝑛.𝑠𝑝(𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙)

= 4𝐵𝑉

²

𝜀

_𝑆

𝜇

_𝑛

𝐸

_𝐶³

𝑅

𝑜𝑛.𝑠𝑝 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

(Si) = 1.184 × 10

⁻¹⁷

𝐵𝑉

^2.5

𝜀

_𝑆

𝜇

_𝑛

𝑅

𝑜𝑛.𝑠𝑝 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

(4H − SiC) = 6.325 × 10

⁻²¹

𝐵𝑉

^2.5

𝜀

_𝑆

𝜇

_𝑛

𝑅

𝑜𝑛.𝑠𝑝 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

(GaN) = 2.249 × 10

⁻²¹

𝐵𝑉

^2.5

𝜀

_𝑆

𝜇

_𝑛

𝑅

𝑜𝑛.𝑠𝑝 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

Ωcm

²

, 𝐵𝑉 V , 𝜀

_𝑆

( Τ F cm), 𝜇

_𝑛

( cm

²

Τ Vs)

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

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

Ωcm

²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

Ωcm

²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.

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

Ωcm

²（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.

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.

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

（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

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

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

_C

: 伝導帯端のエネルギーレベル E

_V

: 価電子帯端のエネルギーレベル qΦ

_M

E

_FM

qΦ

_S

qχ

_S

E

_FS

E

_C

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

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

E

_FM

E

_FS

E

_C

E

_V

qΦ

_B

qV

_bi

■ 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）

N

型半導体の電子がメタルに 移動してメタル中に負電荷

N

型半導体中に正電荷を発生

ε

_S

:

半導体の誘電率

N

_D

:

ドナー濃度

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

(c) と (d) 再結合電流（無視）

電子

正孔 E

_FM

E

_FS

E

_C

E

_V

qΦ

_B

𝑞𝑉

_𝑏𝑖

− 𝑞𝑉

_𝐹

順方向電圧 V

_F

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

電流・電圧特性（順方向）

𝐽 = 𝐴𝑇

²

𝑒

^{− 𝑞𝜙𝐵Τ𝑘𝑇}

𝑒

^{𝑞𝑉𝐴𝑆Τ𝑘𝑇}

− 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

^{− 𝑞𝜙𝐵Τ𝑘𝑇}

𝑒

^{𝑞𝑉𝐹𝑆Τ𝑘𝑇}

− 1

J

_S

: 飽和電流密度

𝐽

_𝑆

= 𝐴𝑇

²

𝑒

^{− 𝑞𝜙𝐵Τ𝑘𝑇}

𝑉

_{𝐹𝑆𝐴𝐾}

= 𝑘𝑇

𝑞 𝑙𝑛 𝐽

_𝐹

𝐽

_𝑆

+ 𝑅

_𝑆𝑈𝐵

+ 𝑅

_{𝐷,𝑆𝑃}

+ 𝑅

_{𝐶𝑂𝑁𝑇}

𝐽

_𝐹

■ アノードとカソード間の順方向電圧 V

_FSAK

V

_FS

:

ショットキー障壁に掛かる

順方向バイアス

V

_FS

= V

_AS

> 0 V

R

_SUB

:

単位面積当たりの基板抵抗（特性基板抵抗）

R

_D,SP

:

単位面積当たりのドリフト抵抗（特性ドリフト抵抗）

R

_CONT

:

単位面積当たりのコンタクト抵抗（特性コンタクト抵抗）

𝐴 = 110 AK

⁻²

cm

⁻²

(Si) 𝐴 = 24 AK

⁻²

cm

⁻²

(GaN)

𝐴 = 146 AK

⁻²

cm

⁻²

(4H − SiC)

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

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

Saturation Current Density (A/cm2)

Schottky Barrier Height (eV)

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

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（

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

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

_{𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡}

: 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

）

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

Forward Voltage Drop (V)

Forward Current Density (A/cm²)

0 1 2 3 4 5

1 10 100 1000

Forward Voltage Drop (V)

Forward Current Density (A/cm²)

𝝓

_𝑩

𝟒𝐇 − 𝐒𝐢𝐂 = 𝟏. 𝟔 𝐞𝐕 𝝓

_𝑩

𝐆𝐚𝐍 = 𝟎. 𝟕 𝐞𝐕

BV (V)

500 1000 3000 2000

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）

順方向電圧と順方向電流密度の関係（

4H-SiC

） 順方向電圧と順方向電流密度の関係（

GaN

）

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 Voltage Drop (V)

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

Ωcm

²

基板抵抗の影響は少ない

順方向電圧と順方向電流密度の関係（

Si

）

1.0 1.5 2.0 2.5

1 10 100 1000

Forward Voltage Drop (V)

Forward Current Density (A/cm²)

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 Voltage Drop (V)

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

Ωcm

²

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

Ωcm

²

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

実線：基板抵抗なし 破線：基板抵抗あり

順方向電圧と順方向電流密度の関係（

4H-SiC

） 順方向電圧と順方向電流密度の関係（

GaN

）

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

_{𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡}

+ 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

Forward Voltage Drop (V)

Forward Current Density (A/cm²)

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 Voltage Drop (V)

Forward Current Density (A/cm²)

Φ

_B

(eV)

1.4 1.7 1.8 1.6

1.5

順方向電圧と順方向電流密度の関係（

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

順方向電圧と順方向電流密度の関係（

GaN

）

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

Forward Voltage Drop (V)

Temperature (K)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

300 350 400 450 500

Forward Voltage Drop (V)

Temperature (K)

J

_F

= 100 A/cm

²

J

_F

= 100 A/cm

²

■ 温度上昇に伴い V

_F

は低下する

■ 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

）

電流・電圧特性（逆方向）

■ 逆方向の飽和（リーク）電流密度 𝐽

_𝑅

= −𝐽

_𝑆

= −𝐴𝑇

²

𝑒

^{− 𝑞𝜙𝐵Τ𝑘𝑇}

メタル（負） N 型半導体（正）

E

_C

E

_FM

x

_m

x

鏡像力による

ポテンシャルエネルギー

鏡像力の考慮あり

鏡像力の考慮なし

電界

𝑞𝜙

_𝐵

∆𝑞𝜙

_𝐵

𝑞 𝑉

_𝑅

𝑞𝑉

_𝑏𝑖

+ 𝑞 𝑉

_𝑅

E

_FS

空乏層

∆𝜙

_𝐵

= 𝑞𝐸

_𝑚

4𝜋𝜀

_𝑆

𝐸

_𝑚

= 2𝑞𝑁

_𝐷

𝜀

_𝑆

𝑉

_𝑏𝑖

+ 𝑉

_𝑅

■ 障壁低下を考慮した飽和電流密度 𝐽

_𝑅

= −𝐴𝑇

²

𝑒

^{− 𝑞 𝜙𝐵−∆𝜙𝐵 Τ𝑘𝑇}

障壁低下量（電位） ΔΦ

_B

メタル / 半導体界面の最大電界 E

_m

V

_R

:

逆バイアス電圧

V

_bi

:

ビルトイン電位

ショットキー障壁の低下

Δ𝜙

_𝐵

= 𝑞𝐸

_𝑚

4𝜋𝜀

_𝑆

𝐸

_𝑚

= 2𝑞𝑁

_𝐷

𝜀

_𝑆

𝑉

_𝑅

+ 𝑉

_𝑏𝑖

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Schottky Barrier Lowering (eV)

Normalized Breakdown Voltage (V)

■ 逆バイアス印加によるショットキー障壁の低下

Si GaN

4H-SiC

N

_D

= 1

×

10

¹⁶

cm

^-2

4H-SiC

と

GaN

のショットキー障壁の低下は

Si

の場合の約

3

倍

E

_m

:

メタル

/

半導体界面の最大電界

V

_R

:

逆バイアス電圧

V

_bi

:

ビルトイン電位 ショットキー障壁低下と逆バイアス電圧の関係

（ブレークダウン電圧で規格化）

1E-13 1E-11 1E-09 1E-07 1E-05 1E-03 1E-01

0 200 400 600 800 1000

Leakage Current Density (A/cm2 )

Reverse Bias (V)

リーク電流密度（耐圧 1kV ）

𝐽

_𝑆

= 𝐴𝑇

²

exp − 𝑞𝜙

_𝐵

𝑘𝑇 exp 𝑞Δ𝜙

_𝐵

𝑘𝑇 exp 𝐶

_𝑇

𝐸

_𝑚²

1E-12 1E-11 1E-10 1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05

0 200 400 600 800 1000

Leakage Current Density (A/cm2)

Reverse Bias (V)

GaN

ショットキーダイオード

4H-SiC

ショットキーダイオード

BV = 1000 V BV = 1000 V

Φ

_B

= 1.1 eV Φ

_B

= 1.1 eV

障壁低下なし 障壁低下あり 障壁低下とトンネル電流あり

障壁低下なし 障壁低下あり 障壁低下とトンネル電流あり

■ 飽和（リーク）電流密度

飽和電流成分 障壁低下成分 トンネル電流成分

C

_T

:

トンネル係数

4H-SiC

⁽¹⁾ ⇒

8

×

10

^-13

cm

²

/V

²

, GaN

⁽²⁾⇒

7.1

×

10

^-12

cm

²

/V

² (1) B. J. Baliga, "Fundamentals of Power Semiconductor Devices",

Springer-Science, 2008.

(2) M. Ozbek and B. J. Baliga, "Tunneling Coefficient for GaN Schottky Barrier Diodes", Solid State Electronics, Vol. 62, pp. 1-4, 2011.

リーク電流密度の逆バイアス電圧依存性 リーク電流密度の逆バイアス電圧依存性

PiN ダイオード

（１） PiN ダイオードの構造

（２）順方向電流（高レベル注入）

（３）ドリフト領域内のキャリア分布

（４）オン電圧

（５）逆回復特性

（６）オン電圧と逆回復時間 ( 電荷 ) のトレードオフ

PiN ダイオードの構造

アノード i 領域

（低濃度 N- ドリフト領域） N

^＋

基板 カソード

i

領域の抵抗

（オン時：伝導度変調）

N

^＋基板の抵抗

Ｐ

^＋

領域

順方向電流（高レベル注入）

高レベル注入

・注入キャリア密度≫ドーピング濃度（ N 型）

・ N- ドリフト (i) 領域の電荷中性： n(x)=p(x)

・ N- ドリフト (i) 領域の抵抗の大幅な低下（伝導度変調）

・ N- ドリフト (i) 領域、アノードとカソード端での再結合電流

・キャリア密度は、電流密度に比例して増大する。

⇒

キャリア密度の増大に比例して伝導率も増大する。

⇒ N-ドリフト(i)領域の電圧降下 V

_M は、電流密度に依存しない。

𝐽

_𝑇

= න

−𝑑 𝑑

𝑞𝑅𝑑𝑥 = න

−𝑑 𝑑

𝑞 𝑛(𝑥)

𝜏

_𝐻𝐿

𝑑𝑥 = 2𝑞𝑛

_𝑎

𝑑

𝜏

_𝐻𝐿

𝑛

_𝑎

= 𝐽

_𝑇

𝜏

_𝐻𝐿

2𝑞𝑑

d: N-

ドリフト長の半分の長さ

R:

再結合率

n

_a

:

平均キャリア密度

τ

_HL

:

高レベルライフタイム

■

PiN

ダイオード内の電流密度

J

_T（アノードとカソード端の再結合無視）

■

N-

ドリフト

(i)

領域の特性抵抗

R

_i,SP

𝑅

_{𝑖,𝑆𝑃}

= 2𝑑

𝑞 𝜇

_𝑛

+ 𝜇

_𝑝

𝑛

_𝑎

= 4𝑑

²

𝜇

_𝑛

+ 𝜇

_𝑝

𝐽

_𝑇

𝜏

_𝐻𝐿

■ ドリフト領域を横切る電圧

V

_M

𝑉

_𝑀

= 𝐽

_𝑇

𝑅

_{𝑖,𝑆𝑃}

= 4𝑑

²

𝜇

_𝑛

+ 𝜇

_𝑝

𝜏

_𝐻𝐿