高耐圧GaNパワーデバイス開発 - astf.or.jp · 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(～1x1013cm-2)が発生

2008.6.27 第2回窒化物半導体応用研究会

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

上田哲三


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 Injection Transistor (GIT)

超高耐圧GaNパワーデバイス

10000V耐圧AlGaN/GaN HFET

まとめ

講演内容


GaNの特長と

パワーデバイス応用に向けての課題


GaN系半導体の特長 – Si, GaAs との比較 -

400

300

200

100

0100

10

1.21.0

0.80.6

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)

200

150

100

50

GaNGaAs

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

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

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AlGaN/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(～1x1013cm-2)が発生

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）

新たな高耐圧デバイス構造


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

■ Si基板はコスト・放熱の点で有望だが、これまではGaNの結晶性が課題

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)

1.5１０9 －１０１０0.5万円＠６インチ

（30円/cm2 ）Ｓｉ

0.4１０9５万円＠４インチ

（600円/cm2 ）サファイア

4.5１０7－１０8５０万円＠２インチ（25,000円/cm2 ）

ＳｉＣ

2.2１０５－１０６１００万円＠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

AlNAlGaN

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-r

ay In

tens

ity (a

rb. u

nits

)

GaN

0

-1-2

-3

+1+2

+3+4


６インチSi基板上へのMOCVD成長

■ ６インチ全面にて鏡面・クラックフリー


0

1000

2000

3000

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

Distance from Center (mm)

Hal

l Mob

ility

(cm

2 /Vse

c)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)Sh

eet C

arrie

r Con

cent

ratio

n (x

1013

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

5.6mm2.

8mm

Surface Source Via

Al0.26Ga0.74NGaNBuffer

Sisub.Surface Source Via

Al0.26Ga0.74NUn-GaNAlN Buffer

Silicon SubstrateSource

Drain

GateDrain 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

BVoff: 350V Ron: 19.8mΩ(Ron·A: 1.98mΩcm2)

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

伝導度変調を用いたAlGaN/GaNトランジスタ

- Gate Injection Transistor (GIT)


AlGaN

AlGaNscbAlGaNcbp

dqNEVEVεε

φφ0

−Δ−=−Δ−=

)()()( 11 GaNPNGaAlPNGaAlP SPxxSPxxPE −+= −−σ

[ ]cAlGaNAlGaNs EEeedeN Fb Δ−+−+= φεεσ )/(/ 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

PPE: Piezoelectric polarization

PSP: Spontaneous polarization

ΔECEF

EC

-σAlGaN

+σAlGaN

-σGaN

+σGaN

NS(GaN)

2DEG

Al0.25Ga0.75N 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

PSP(AlGaN)

PPE(AlGaN)

PSP(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-AlGaNi-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)

μh << μe


GITにおけるノーマリオフ化

バンド図

■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

- 4- 3- 2- 101234

- 0 .3 - 0 .2 - 0 .1 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4

D e p th [ u m ]

Ene

rgy

[eV

]p-AlGaN

i-AlGaNi-GaN

GateOhmic

EV

EF

EC

GateOhmic p-AlGaN i-AlGaN i-GaN


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

5Von

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 6Vgs (V)

Ids

(mA

/mm

)

0

20

40

60

80

100

120

gm (m

S/m

m)

Ids (GIT)

ホール注入により2つめのgmピークが発生

gm (GIT)

Lg=2µm, Lgd=7.5µm

gm (MESFET)

Ids (MESFET)

GITとMESFETのIds-Vgs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 10Vds [V]

Ids

[mA

/mm

] 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]

Ids[

mA

/m

m]

Lg=2µm, Lgd=7.5µmVgs=0V

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)


GIT オン抵抗 - 耐圧特性

102 103 10410-1

10 0

10 1

10 2

Breakdown voltage (V)

Spe

cific

On-

Res

ista

nce

Ron

A(m

Ωcm

2 )

GaN Limit

This workGIT

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

10000V耐圧AlGaN/GaN HFET


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

ソースドレインゲート

フィールドプレートSiN

Passivation

高電圧

高電界

Y. Dora, et alEDL, vol.27, pp713, 2006N. Tipirneni, et al EDL, vol.27, pp716, 2006

0 5 10 15 20

500

1000

1500

2000

Lgd (μm)B

reak

dow

n Vo

ltage

(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

ドレイン

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/GaNHFET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]

Curr

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

AlN180

230

280

330

0 2 6 10

Max

. tem

pera

ture

(℃

)Thickness (µm)

1304 80-2 2

position (µm)4-4

180

230

330

Tem

pera

ture

(℃

)

130

AlN： 500nm 1µm2µm5µm

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)

0Ther

mal

res

ista

nce

, Rth

( ℃

/W）

1 2 3 40

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 SiNAlN

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

gate10μm

sapphire

AlN-buffer

AlGaN/GaN

Poly-AlNSiN

5μm

Source-FP

Gate-FP


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120 140Lgd [um]

Brea

kdow

n V

olta

ge [

V]

オフ耐圧のゲート-ドレイン間距離(Lgd)依存性

Thick poly-AlNPassivation

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]

Dra

in C

urre

nt [

mA

/mm

]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20

Drain Voltage [V]

Dra

in C

urre

nt [A

/mm

] Vgs= 1V

-1V

-2V

-3V

-4V

Lg=2µm, Lgd=125µm

0V

Drain Voltage [V]

Dra

in C

urre

nt [

A/m

m] Lg=2µm, Lgd=125µm

Vgs= -5V

Drain Voltage [V]

Dra

in C

urre

nt [

mA

/mm

]

10400V

RonA=186mΩcm2 BVds=10400VImax=150mA/mm Vp= - 4.0V

超高耐圧HFETのDC特性


10 2 10 3 10 410-1

10 0

10 1

10 2

Breakdown voltage [V]

Spe

cific

On-

Res

ista

nce

Ron

A [m

Ωcm

2 ]

10 5

10 3

10 4

Si Limit

Si Super Junction MOSFET

Si IGBT GaN Limit

GaN HFETNormally-On

This WorkUHV-HFET

超高耐圧AlGaN/GaN HFET オン抵抗 - 耐圧特性

GaN HFETNormally-Off

GITNormally-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６インチSi上MOCVD結晶成長技術

大電流AlGaN/GaN HFET(150A/350V)

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 Injection Transistor (GIT)を提案

超高耐圧実現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 BVds = 800V

オン抵抗 Ron·A = 186 mΩcm2

オフ耐圧 BVds = 10400V

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