GaNの特長とパワーデバイス応用に向けての課題 GaNパワーデバイスの低コスト化技術 大面積 Si 上 MOCVD 結晶成長技術 Si 上大電流 AlGaN/GaNパワー HFET GaN パワーデバイスのノーマリオフ動作 伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ - Gate Inject

高耐圧GaNパワーデバイス開発

松下電器産業(株) 半導体社

半導体デバイス研究センター

GaNの特長とパワーデバイス応用に向けての課題

GaNパワーデバイスの低コスト化技術

z

大面積Si上MOCVD結晶成長技術

z

Si上大電流AlGaN/GaNパワーHFET

GaNパワーデバイスのノーマリオフ動作

z

伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ

- Gate Injection Transistor (GIT)

超高耐圧GaNパワーデバイス

z10000V耐圧AlGaN/GaN HFET

まとめ

GaNの特長と

GaN系半導体の特長 – Si, GaAs との比較

-400 300 200 100 0 1 0 0 1 0 1. 2 1. 0 0. 8 0. 6 0. 4

動作温度

←ワイドギャップ 高ポテンシャル障壁 (℃)

最大発振周波数

(fmax)

←高飽和電子速度 低寄生容量 (GHｚ)

雑音指数（NF)

←低キャリア散乱 低RF損失 (dB)

絶縁破壊電界

←ワイドギャップ (V/um)

最大電流（Imax)

← 高キャリア濃度 高電子速度 (A/mm) 20 0 15 0 10 0 50

G

aN

GaAs

Si

パワー応用 RF応用 パワー応用 パワー応用 RF応用

GaNパワーデバイスの技術課題

低コスト化

z

現状のSiパワーデバイスを置き換えるためには低コスト化が必要

z

GaNデバイスでは基板コストが大きな割合を占める

ノーマリオフ動作の実現

zAlGaN/GaNヘテロ接合においては分極のためアンドープでも

高いシートキャリア(～1x10

13

_cm

-2

_)が発生

z

ノーマリオフと大電流の両立が困難

さらなる高耐圧化の実証

z

これまでの最高耐圧は1900VにとどまりGaN材料のポテンシャルを

十分に引きだせていない

大口径Si基板上への結晶成長

新動作原理ノーマリオフデバイス（GIT）

GaNパワーデバイスの低コスト化技術

z

大面積Si上MOCVD結晶成長技術

GaNの結晶成長に用いられる基板

■ ＧａＮでは異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長を行う必要がある ■ 結晶性とコストにトレードオフが存在 ３．８４ ４．７６ (２．７４) ３．０７ ３．１９ 格子定数 (A) ３．５９ ７．７０ ４．２０ ５．４５ 熱膨張係数 (10-6_/K) 1.5 １０9_－１０１０ 0.5万円＠６インチ （30円/cm2 _） Ｓｉ 0.4 １０9 ５万円＠４インチ （600円/cm2 ） サファイア 4.5 １０7_－１０8 ５０万円＠２インチ （25,000円/cm2 _） ＳｉＣ 2.2 １０５_－１０６ １００万円＠２インチ （50,000円/cm2 _） ＧａＮ 熱伝導率 (Wcm/K) ＧａＮの 転位密度 (cm-2₎ 基板価格 基板材料

Si基板上AlGaN/GaN HFET構造

X線回折パターン ■ 良好な周期性を確認 Si(111)基板 AlN AlGaN GaN 超格子バッファ層 AlN GaN 圧縮歪 格子定数: Si>GaN>AlN 熱膨張係数: Si<GaN<AlN 応力緩和 MOCVD エピタキシャル構造 ■ AlGaN/AlN 初期成長層 ■ GaN/AlN多層膜による応力緩和 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 33 34 35 36 2θ(deg.) X-ray Intensity ( a rb. units) GaN 0 -1 -2 -3 +1 +2 +3 +4

６インチSi基板上へのMOCVD成長

0 1000 2000 3000

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Distance from Center (mm)

Hall Mobility (cm 2 /Vsec)

Si上HFETエピタキシャル構造の面内均一性

移動度・シートキャリア濃度の面内分布 ■ 移動度 1653 cm2_/Vsec 0 1 2 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Distance from Center (mm)

Sheet Carrier Concentrat ion (x 10 13 cm ｰ 2 )

Si基板上大電流AlGaN/GaNパワーHFET

チップ写真

(Wg= 500mm)

Gate

Drain

5.6mm

2.8mm _{Surface Source Via}

Al0.26Ga0.74N GaN Buffer

Sisub.

Surface Source Via

Al0.26Ga0.74N Un-GaN AlN Buffer Silicon Substrate Source Drain Gate Drain Drain ソースビア接地FET構造 断面SEM写真

大電流AlGaN/GaNパワーHFETのDC特性

BV

off

: 350V

R

on

: 19.8m

Ω

(R

on

·A: 1.98m

Ωcm

2

)

Vgs=0V -1.5V -2.0V -2.5V -1.0V -0.5V Vgs=-3.0V ■ 高耐圧・低オン抵抗を実現

GaNパワーデバイスのノーマリオフ動作

z

伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ

AlGaN AlGaN s c b AlGaN c b p d qN E V E V ε ε φ φ 0 − Δ − = − Δ − = ) ( ) ( ) (Al Ga₁ N P Al Ga₁ N P GaN P_{PE x x} + _{SP x x} − _SP = _{− −} σ

[

c

]

AlGaN AlGaN s e d e e E E N = +σ / −(ε ε / ) φb + F −Δ 2 0

O.Ambacher et al, J.A.P. vol.85, no.6, p.3222, 1999

„AlGaN薄層化、Al組成の低減 → ドレイン電流の減少 „フッ素添加 → Ｆの安定性確認が必要

従来のノーマリオフ化技術

P_PE: Piezoelectric polarization P : Spontaneous ΔE_C E_F E_C -σ_AlGaN +σ_AlGaN -σ_GaN +σ_GaN N_S(GaN) 2DEG Al_0.25Ga_0.75N GaN -5.1x10-6 _Ccm-2 5.1x10-6 _Ccm-2 -2.9x10-6 _Ccm-2 >1x1013 _cm-2 Schottky metal 0 -+ 2.9x10-6 _Ccm-2 P_SP(AlGaN) P_PE(AlGaN) P_SP(GaN) σ : Fixed charge Band diagram Charge distribution

従来のノーマリオフ型AlGaN/GaN HFET

新規ノーマリオフ型GaNトランジスタ GIT

-Gate p-AlGaN i-AlGaN i-GaN Source Drain

■ノーマリオフ化

ｐ型ゲートによりチャネルのポテンシャル障壁を増加

■低オン抵抗化

ｐ型ゲートからチャネルへホール注入

伝導度変調によりオン抵抗低減

Gate Injection Transistor (GIT)

GITにおけるノーマリオフ化

バンド図

■ノーマリオフ化

- 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 - 0 . 3 - 0 . 2 - 0 . 1 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 D e p t h [ u m ] Energy [eV] p-AlGaN i-AlGaN i-GaN Gate Ohmic E_V E_F E_C Gate

GITの動作原理

Vg = 0V

Ｐ型ゲートがゲート下

チャネルを空乏化

↓ ドレイン電流が流れない Vg > Vf of GaN-PN junction ホール注入 ↓ 電子発生 ↓ ドレイン電流増大 (conductivity modulation) i-AlGaN i-GaN Vgs 0V 5V

on

off

Vgs p-AlGaN

off

Gate Source Drain

on

+ + + + - -- - - - - - -- - - --- - - - - -+ -+ -+ -+

-0

50

100

150

200

250

300

-3 -2 -1

0

1

2

3

4

5

6

Vgs (V)

Id

s

(

m

A/

mm)

0

20

40

60

80

100

120

g

m

(

m

S

/mm)

Ids (GIT)

ホール注入により

2つめのg

_m

ピークが発生

gm (GIT) Lg=2µm, Lgd=7.5µm gm (MESFET) Ids (MESFET)

GITとMESFETのI

_ds

-V

_gs

特性比較

・しきい値電圧 Vp : +1.0V ・最大ドレイン電流 Imax : 200mA/mm ・オン抵抗 RonA : 2.6mΩcm2 ・オフ耐圧 : 800V

GITのDC特性

0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 Vds [V] Id s [m A /m m ] Vgs=5V Lg=2µm, Lgd=7.5µm Vgs=4V Vgs=3V Vgs=2V Vgs=1V Vds (V) Ids (mA/mm) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 200 400 600 800 1000 Vds[V] Id s[ mA / m m] Lg=2µm, Lgd=7.5µm Vgs=0V Vds (V) Ids (mA/mm)

GIT オン抵抗 - 耐圧 特性

102 ₁₀3 ₁₀4 10-1 10 0 10 1 10 2

Specific On-Res

istance RonA

(m

Ω

cm

2

)

GaN Limit

This work GIT

Si Limit

Si Super Junction MOSFET Si IGBT (commercial) GaN HFET (normally-off) [3] [4]

超高耐圧GaNパワーデバイス

AlGaN/GaN HFET高耐圧化に向けての課題

基板 バッファ層 i-AlGaN i-GaN ソース ゲート ドレイン フィールドプレート SiN Passivation 高電圧 高電界 Y. Dora, et al EDL, vol.27, pp713, 2006 N. Tipirneni, et al EDL, vol.27, pp716, 2006 0 5 10 15 20 500 1000 1500 2000 Lgd (μm) Breakdown Voltage (V) これまでに報告されている耐圧とLgdの関係 フィールドプレートを有する 高耐圧AlGaN/GaN HFET ■ フィールドプレート構造により高耐圧化が可能 ■ これまでの報告では耐圧は最高で1900Vにとどまる ■ パッシベーション膜での絶縁破壊により耐圧が低下している可能性あり

超高耐圧AlGaN/GaN HFET

サファイア基板 バッファ層 i-AlGaN i-GaN ソース フィールドプレート ゲート 厚膜AlNパッシベーション SiN 高電界 サファイア基板への ビアホール 超高耐圧 AlGaN/GaN HFETの断面図 ■厚膜多結晶AlNパッシベーション 従来のSiNと比較して大きな絶縁破壊電界強度 高い熱伝導率（SiNの200倍以上） ドレイン電流増加・電流コラプス抑制 ■サファイア基板へのビアホール形成 高電圧配線を排除しよりコンパクトなチップレイアウトを実現

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 0 100 200 300 400 500 600 Voltage [V] C u rr ent [ A /cm 2] SiN 1μm AlN 1μm

AlNによる絶縁破壊電界の向上

3.7MV/cm 5.7MV/cm MIM(Metal-Insulator-Metal)構造の電流-電圧特性

SiN AlN 180 230 280 330 0 2 6 10 Max. temperature ( ℃ ) Thickness (µm) 130 4 8 0 -2 2 position (µm) 4 -4 180 230 330 Temperature ( ℃ ) 130 AlN： 500nm 1µm 2µm 5µm 10µm S G D 280 SiN：500nm ～ 10µm 2DEGでのチャネル温度分布 最大チャネル温度の パッシベーション膜厚依存性

AlNによる放熱改善 ｰ シミュレーション結果

AlN thickness (µm) 0 Thermal resi stance, R th ( ℃ /W ） 1 2 3 4 0 4 8 12 16 20 AlN SiN Wg : 4.8mm

AlNによる熱抵抗低減

熱抵抗のパッシベーション膜厚依存性

サファイア バンドギャップ 9eV 価電子帯 導電帯

レーザドリルによるサファイアへのビアホール形成

多光子吸収 (Multi-photon ionization) レーザドリル SEM写真 高出力短パルスレーザ照射 金メッキ 裏面研磨 裏面電極形成 ビアホール形成プロセス ■ 高出力短パルスレーザ照射によって生じる多光子吸収・レーザアブレーションを 利用し熱的・化学的に非常に安定なサファイア基板にビアホールを形成 Depth=250μm

100μm ビアホール サファイア 裏面電極

作製したサファイア基板への貫通ビアホール

断面SEM写真

ソース サファイア基板 ソース ゲート SiN AlN ゲート i-AlGaN i-GaN バッファ層 ドレイン

超高耐圧 AlGaN/GaN HFETの構造

ドレイン ソース ビア ゲート ソース ゲート 断面構造 チップレイアウト

Source

Drain

Via-hole

Gate

1mm 断面SEM写真 チップ写真

作製した超高耐圧AlGaN/GaN HFET

source gate sapphire AlN-buffer AlGaN/GaN Poly-AlN SiN 5μm Source-FP Gate-FP

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0

20

40

60

80

100 120 140

Lgd [um]

B

reak

d

own V

o

lt

age [

V

]

オフ耐圧のゲート-ドレイン間距離(L

_gd

)依存性

Thick poly-AlN Passivation SiN Passivation Vg= -5V

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Drain Voltage [V] D ra in C u rr e n t [m A /m m ] 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0 5 10 15 20 Drain Voltage [V] D rain C u rr ent [ A /m m ] Vgs= 1V -1V -2V -3V -4V Lg=2µm, Lgd=125µm 0V Drain Voltage [V]

Drain Current [A/mm]

Lg=2µm, Lgd=125µm Vgs= -5V

Drain Voltage [V]

Drain Current [mA/mm]

10400V

RonA=186m

Ωcm

2

_BVds=10400V

Imax=150mA/mm

Vp= - 4.0V

102 ₁₀3 ₁₀4

10-1

10 0

10 1

10 2

Specific On-Resistance RonA [m

Ω cm 2 ] 105 10 3 10 4

Si Limit

Si Super Junction MOSFET Si IGBT

GaN Limit

GaN HFET Normally-On

This Work

UHV-HFET

超高耐圧AlGaN/GaN HFET オン抵抗 - 耐圧 特性

GaN HFET Normally-Off GIT Normally-off

まとめ

GaNパワーデバイスの実用化に向けて

低コスト化

z

６インチSi上MOCVD結晶成長技術

z

大電流AlGaN/GaN HFET(150A/350V)

ノーマリオフ動作

z伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ

Gate Injection Transistor (GIT)を提案

超高耐圧実現

z

新規デバイス構造により10000V耐圧を確認

„ しきい値電圧 Vp=+1.0V „ オン抵抗 Ron·A = 2.6 mΩcm2 „ オフ耐圧 BV_ds = 800V „ オン抵抗 Ron·A = 186 mΩcm2 „