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

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ＣＯ２

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

CO2

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CO2

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

材料的特長：１．大きなバンドギャップ：3.4 eV２．大きな破壊電界：2x106 V/cm３．大きな飽和速度：2.7x107 cm/s４．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~1x1013 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

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)=εμEc3

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/VsEc

106V/cmvs

107 cm/sκ

W/cmK JFM

(Ecvs/π)2

KFM κ(vs/ε)1/2

BFMεμEc3

BHFMμEc2

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

応用物理、大橋弘道、第73巻、第12号、p. 1571、2004年

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）

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）

Thermal and Lattice Mismatch

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：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/ｻﾌｧｲｱﾃﾞﾊﾞｲｽ

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 基板のコスト結晶成長のコスト

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

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

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。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(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中国

CRSﾀｲﾑｽﾞｴﾚｸﾄﾘｯｸ社他、ﾊﾟﾜｰ半導体世界6位のカナダのDynex

Power社を買収。国策としてGaN研究に多額の資金を投入。

4インチ対応MOCVD装置

Source gasGroup III : TMG, TMAGroup V : NH3

Dopant : SiH4

Carrier gasH2, N2

Growth temperature1080-1130ºC

Source gasGroup III : TMG, TMAGroup V : NH3

Dopant : SiH4

Carrier gasH2, N2

Growth temperature1080-1130ºC

Horizontal MOCVD system (Nippon Sanso, SR-4000)

Substrate

Laminar flow region Diffusion region

Fused quartz flow channelStainless steel reactor

Resistive heater(Temperature≈

1100℃)

Group V + carrier gasGroup 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

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

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

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。

Bowing vs. total thickness of epilayer

Total thickness:9.0 μmCrack free

Counter-balance of thermal and lattice mismatches by SLS

i-GaN 2 μm

GaN / AlN7 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）

大口径化

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

SiSiN

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

・Improvement of VB with the increase of total thickness ・

VB =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

AFM

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

Pit density:～0

Pit density:2,500 cm-2

Pit density:12,500 cm-2 Pit density:

34,000 cm-2

IDrain

ISub

IGate

IBuf

VG = -5 V：ピンチオフ

エピ厚：2.4 μm, Lg/Wg = 1.5/15 μmgm=190 mS/mm, ID =625 mA/mm, Vth=-2.0 V

HEMTとピットの関係

G

DS

Mesa

CL intensity as a function of distance from pit

Pit density: ~ 0 cm-2 Pit density: ~ 1x103 cm-2

S. L. Selvaraj et. al., Appl. Phys. Letts. 2011 (98) 252105.

Device characteristics as a function of distance from pit

Pit density: 1x103 cm-2

ピットの無い試料：

IDSmax = 516 mA/mm, Vth = -2.1 V, BVoff = 300 V

電流コラプス：市販エピとの比較

Vgs

Vds

-6 V0 V

OFF

0 V

100 V,..,600 V

10s 10s

RON (after)0.5V

RON (before)

time

TWHM2011, T. Deguchi et al.

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-c

m2 )

0.1

1

10

100

1000

100 1000 10000耐圧（V）

GaN限界

Si 限界 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-SiC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 cm2/Vs（室温）（５）三端子オフ耐圧：1402 V（６）Ron ×A：7.7 mΩcm2

（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。