2010年6月24日 第8回 窒化物半導体応用研究会 GaN系電子デバイスの現状とその可能性 GaNパワーデバイスのインバータ応用 パナソニック株式会社 セミコンダクター社 半導体デバイス研究センター 上田哲三 講演内容 GaNインバータによる省エネルギー化 GaNパワーデバイス技術 z低コストSi基板上GaN結晶成長 zノーマリオフ化： Gate Injection Transistor (GIT) GaNワンチップインバータIC z集積化： Feイオン注入による高耐圧素子分離技術 zGaNインバータICの高効率動作 まとめ 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 インバータによる民生機器の省エネルギー化 家庭での電力消費内訳 衣類 乾燥機 2.8% 食器洗浄 乾燥機 1.6% エアコン その他機器 20.2% 温水洗浄 便座 3.9% 電気カーペット 4.3% 家電製品のインバータ化率 テレビ 9.9% 照明用 16.1% 出典：エネルギー白書 5% インバータ 23% インバータ エアコン 25.2% 冷蔵庫 16.1% 冷蔵庫 ノン インバータ 6000万台 ノン インバータ 8000万台 ■ 環境効果 ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙ市場でのインバータ化を促進 （ｴｱｺﾝ23%→50%、冷蔵庫5%→10%とした場合） １２０億kWh節電 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 ８基の火力発電所相当 CO2換算すると,４００万ｔ削減 (日本の年間総排出量13億tの 0.3%相当削減） インバータ搭載機器とノンインバータ機種の消費電力比較 ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ ｲﾝﾊﾞｰﾀ エアコン 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 年間消費電力（ １台当り） 年間消費電力（ １台当り） 3000kWh/年 1000kWh/年 ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ ｲﾝﾊﾞｰﾀ 冷蔵庫 インバータ：省エネルギー化のコア技術 Gate Driver Transistor Fast Recovery Diode ■ インバータは6個のトランジス タから構成される Motor ■ トランジスタのスイッチングに よりモータを駆動 Controller AC DC AC U-Phase Motor Current U-Phase V -Phase V-Phase W-Phase W-Phase Motor 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 Inverter GaNトランジスタによるインバータの高効率化 ■ GaNトランジスタでは電圧オフセットがなくオン抵抗が小さいため、損失を大幅に低減可能 Si系インバータ IGBT ダイオード FRD IF IR IF 電流 電流 IR ﾓｰﾀ IGBT オフセット VF 電圧 ダイオード オフセット VF 電圧 損失 = VF・IF + VF・IR GaNインバータ IF GaN トランジスタ IR 電流 RON 電流 IF RON IR ﾓｰﾀ 電圧 電圧 損失 = Ron・IF2 + Ron・IR2 → 0 IF：駆動電流、 IR：還流電流 FRD：Fast Recovery Diode （高速リカバリダイオード） 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 GaNインバータによる損失低減予測 ■ GaNインバータにより従来トランジスタと比較し大幅な損失低減が可能 電力損失の割合(%) 120 100 ダイオード損失 80 ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失 60 還流時 導通損失 40 オン時 導通損失 20 0 従来Si-IGBT IGBT 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 GaN双方向SW GaNトランジスタ GaNインバータ実現に向けてのデバイス技術課題 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 zGaNデバイスでは基板コストが大きな割合を占める 大口径Si基板上への結晶成長 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(～1x1013cm-2)が発生 zノーマリオフと大電流の両立が困難 新動作原理ノーマリオフデバイス（GIT） ワンチップ集積化 zGaNトランジスタが横型かつ小面積であるという特長を活かすため には集積化が望まれる 新たな高耐圧素子分離技術 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 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 基板材料 基板価格比 (Si基板を1) 格子定数 (A) ＧａＮの 熱膨張係数 転位密度 (10-6/K) (cm-2) 熱伝導率 (Wcm/K) ＧａＮ 1600 ３．１９ ５．４５ １０５－１０６ 2.2 ＳｉＣ 100 ３．０７ ４．２０ １０7－１０8 4.5 サファイア 10 ４．７６ (２．７４) ７．７０ １０9 0.4 ３．８４ ３．５９ １０9 －１０１０ 1.5 Ｓｉ 1 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 Si基板上へのAlGaN/GaN構造MOCVD成長 ■ AlGaN/AlN 初期成長層 ■ GaN/AlN多層膜による応力緩和 MOCVD エピタキシャル構造 6インチSi基板上へのMOCVD成長 格子定数: Si>GaN>AlN 熱膨張係数: Si<GaN<AlN GaN 圧縮歪 AlN GaN 超格子バッファ層 応力緩和 AlGaN AlN Si(111)基板 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 ■ ６インチ全面にて 鏡面・クラックフリー ■ 最大移動度 1653 cm2/Vsec 従来のノーマリオフ型AlGaN/GaN HFET Charge distribution -σAlGaN σ : Fixed charge NS(GaN) >1x1013 cm-2 2DEG -5.1x10-6 Ccm-2 -σGaN - 2.9x10-6 + Band diagram +σAlGaN 5.1x10-6 Ccm-2 PSP(AlGaN) ε 0ε AlGaN σ = PPE ( Al xGa1− x N ) + PSP ( Al x Ga1− x N ) − PSP (GaN ) +σGaN Ccm-2 O.Ambacher et al, J.A.P. vol.85, no.6, p.3222, 1999 従来のノーマリオフ化技術 PSP(GaN) PPE(AlGaN) AlGaN薄層化、Al組成の低減 Schottky metal EC ΔEC EF Al0.25Ga0.75N qN s d AlGaN N s = +σ / e − (ε 0ε AlGaN / d AlGaN e 2 )[eφb + EF − ΔEc ] -2.9x10-6 Ccm-2 0 V p = φb − ΔEc − VAlGaN = φb − ΔEc − GaN 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 PPE: Piezoelectric polarization PSP: Spontaneous polarization → ドレイン電流の減少 オン抵抗増加 MISデバイス、フッ素添加 → 信頼性の確保 Ｆの安定性確認が必要 新規ノーマリオフ型GaNトランジスタ - GIT 断面構造 Gate Gate Injection Transistor (GIT) Source i-GaN ■ノーマリオフ化 ｐ型ゲートによりチャネルの 伝導度変調によりオン抵抗低減 Energy [eV] ■低オン抵抗化 ホール注入 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 i-AlGaN Gate Ohmic p-AlGaN i-GaN ポテンシャル障壁増による キャリア濃度減 EC EF EV ホール注入、伝導度変調 + -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 D e p th [u m ] 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 μh << μe バンドダイヤグラム ポテンシャル障壁を増加 ｐ型ゲートからチャネルへ Drain p-AlGaN i-AlGaN 0.2 0.3 0.4 GITの動作原理 ソース電極 ゲート電極 ドレイン電極 オフ Vg = 0V p-AlGaN i-AlGaN − − − − − − − − − Ｐ型ゲートがゲート下 チャネルを空乏化 電流が流れない ↓ ドレイン電流が流れない i-GaN ソース電極 ゲート電極 ドレイン電極 オン p-AlGaN + + i-AlGaN − − − − − − − − − − − − − − − − − + + + − − − − − − 電流が大量に流れる ﾎｰﾙの移動速度 << 電子の移動速度 i-GaN 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 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) GITとMESFETのIds-Vgs特性比較 Ids (mA/mm) 250 100 100 Ids (GIT) gm (GIT) 200 150 120 Lg=2µm, Lgd=7.5µm 80 Ids (MESFET) 60 gm (MESFET) 40 50 20 0 0 -3 -2 -1 0 ノーマリオフ動作 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 1 2 3 Vgs (V) 4 5 gm (mS/mm) 300 6 ホール注入により 2つめのgmピークが発生 400 400 Vgs=5V Vgs=5V 100 1.0E-04 Vgs=0V Drain Current Ids (mA/mm) Ids (mA/mm) Drain Current Ids (mA/mm) Si基板上GITのDC特性 350 80 8.0E-05 300 300 4V 4V 250 3V 3V 200 200 60 6.0E-05 40 4.0E-05 150 2V 2V 100 100 20 2.0E-05 50 1V 1V 00 00 1 22 3 44 5 66 7 88 9 10 10 0.0E+000 0 0 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 400 400 600 600 Drain-Source Vds (V) VdsVoltage [V] VdsVoltage (V) Drain-Source Vds (V) ・しきい値電圧 Vp ・最大ドレイン電流 Imax ・オン抵抗 RonA ・オフ耐圧 200 200 : : : : +1.0V 370mA/mm 2.0mΩcm2 700V 800 800 GITのスィッチング特性 Vdd=100V Characteristics - Results Switching 測定回路 tr, td, tf vs Vgs RL=10Ω Vgs Monitor 60 50Ω Vds Monitor tｒ、ｔｄ、ｔｆの定義 Vgs Vds 90% 10% tf tr td(off) tf 50 40 td(off) 30 20 10 tr 0 0 90% 1 2 3 Vgs (V) 10% Ids td(on) tr tr, td (o ff), tf (n se c) Id Monitor td(off) tf 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 4 5 6 GITの信頼性評価結果 ■ 125℃、Vds=400Vでの高温高電圧信頼性評価において、1000時間以上 の安定動作を確認 しきい値電圧の時間変化 Tj=125oC Vds=400V 2 1 0 0 200 400 600 Time (hrs) 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 800 1000 10-5 Ids@Vgs=0V (A/mm) Vth (V) 3 オフリーク電流の時間変化 Tj=125oC Vds=400V 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 0 200 400 600 Time (hrs) 800 1000 GaNワンチップインバータIC ■ 横型かつ小面積で高抵抗下地GaN層上にGaNトランジスタは形成されており、 素子間分離耐圧を十分高くすることでワンチップ集積化が可能 GaN-GIT U V W M 集積化の効果 ワイヤリング箇所の低減 →寄生インダクタンスの低減 低コスト化、高速動作 小型化 →実装面積低減 GaN-GIT GaN-GIT Gate Gate 分離 領域 素子分離層 Si基板 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 Gate So ur ce Gate So ur ce So ur ce Gate Drain Gate Gate So ur ce Drain Gate p-AlGaN i-AlGaN i-GaN Buffer Layer Feイオン注入による高耐圧素子分離 ■ Feイオン注入により、1200℃以上の熱処理後でも900V以上の高い素子間耐圧を実現 分離領域シート抵抗の熱処理温度依存性 熱処理による分離領域での耐圧特性変化 1010 after 1200C annealing Fe 109 without annealing Fe B 0.8 Fe B C 108 Current (mA) Sheet Resistance (Ohm/square) 1.0 107 B 106 0.6 0.4 B Fe 0.2 105 0 104 Without annealing 800 1000 Annealing Temperature (oC) 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 1200 0 200 400 600 Voltage (V) Voltage (V) 800 1000 GaN-GITの動作モード ■ GaN-GITでは逆方向特性において、ゲート電圧制御により オフセット電圧のないFETモード(Vgs=5V)と ダイオードのように動作する逆導通モード(Vgs=0V)を実現可能 GITの電流-電圧特性 順方向特性 400 Vgs=5V 300 Vgs=0V: 逆導通モード ) Ids( (mA/mm) 4V 200 3V 100 2V 0 1V 逆方向特性 -100 -200 Vgs=5V: FETモード Vgs=0V step=+1V -300 Vgs=5V -400 -10 -8 -6 -4 -2 0 Vds (V) Vds (V) 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 2 4 6 8 10 インバータにおけるGaN-GITゲート電圧制御 ■ 動作モードの制御によりダイオードフリーでの低損失動作を実現 GaNインバータ IGBTインバータ ON 駆動 電流 Q1 OFF Q1 ON 還流 電流 ON Q2 OFF Q2 OFF Q1 駆動 電流 Q2 OFF ON Q1 還流 電流 Q2 FRD 上側素子 Q1 下側素子 Q2 ＯＮ 上側素子 Q1 ＯＮ 下側素子 Q2 ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ D 還流電流はダイオードのみに通電 D 逆導通 モード 逆導通 モード S 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 D S S FETモード GITダイオードのリカバリー特性 ■ GaN-GITの逆導通モードによるダイオードで良好なリカバリー特性を確認 6 Current (A) 4 GIT 2 0 -2 Si-FRD -4 -6 -100 E-07 5.E-07 0 +100 5.E-07 Time (ns) 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 +200 6.E-07 6.E- 作製したGaNワンチップインバータIC GaN-GIT 電源ライン Q1 U Q2 電源ライン Q3 Q5 V W 素子分離 領域 Q1 Q3 Q5 U V W ゲート M モータ Q4 Q6 GNDライン Q2 Q4 Q6 GNDライン 1mm 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 GaNワンチップインバータの特性 インバータ出力動作波形 効率の出力依存性 500mA/div 20ms/div GaNインバータIC 95 効率 (%) U V W 変換損失 4.8% 変換損失 8.3% 90 IGBT 85 5 10 15 出力 (W) ■ GaNインバータにてIGBTインバータと比較し変換損失を42％低減 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 20 25 まとめ GaNパワーデバイスのインバータ応用 GaNパワーデバイス技術 z低コスト６インチSi基板上へのMOCVD結晶成長 z伝導度変調を用いたノーマリオフGate Injection Transistor (GIT) Vp=+1.0V RonA=2.0mΩcm2 BVds=700V 高温高電圧信頼性試験での1000時間超安定動作確認 GaNワンチップインバータIC zFeイオン注入を用い高耐圧素子分離実現 z高効率インバータ動作を確認 IGBTインバータと比較し損失42%低減 謝辞： 本研究の一部は新エネルギー・産業技術総合開発機構からの委託研究開発 「インバータ高効率化のためのGaN双方向スイッチの研究開発」の助成を受けて行われた 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会 2010.6.24 第8回 窒化物半導体応用研究会
© Copyright 2024 Paperzz
