STRJ WG6委員会 ＧａＮ電子デバイスの現状と課題 2012年12月18日 JEITA（大手センタービル） 徳島大学工学部 大野泰夫 The University of Tokushima 1 アウトライン • GaNは高耐圧：Si、GaAsの10倍 – Si 10000V, GaAs 20V！ • GaNはミリ波 – 基板がサファイア – 小細工の効かない分野＝極短チャネル • GaNで初めて開拓される分野：無線電力伝送 • GaN電子デバイスの課題：電流コラプスとは • GaNでMOSFETが動いている：Nchで移動度は160cm2/Vs The University of Tokushima 2 ＧａＮ系電子デバイスの特徴 長所 短所 – 高耐圧 – 高電子移動度 – ヘテロ構造 – 環境に強い – 透明 – p型層が難しい – ホール移動度が低い – イオン注入が使えない •細かい細工が不要、またはできない。 •材料物性が直接表れる。 The University of Tokushima 3 Impact-Ionization Coefficients Impact-ionization coefficients α obtained by gate current Breakdown filed defined at α=104/cm Si GaAs GaN The University of Tokushima ECR 29V/μm 38V/μm 330V/μm 4 ＧａＮの特徴からみる応用分野(1) ワイドバンドギャップ 高電界 ( V↑ ) 高電圧 高電流 短チャネル 微細化 高出力 超高周波 パワエレ 携帯基地局 >600V 2GHz, 100W The University of Tokushima ミリ波 MMIC >20GHz ( L↓ ) マイクロ波 電力伝送 5 AlGaN/GaN HFET – 基板 • サファイア（c面) • SiC（半絶縁性） • Si（高抵抗FZ） – 結晶成長 • MOCVD（有機金属＋NH3） • MBE – 製造プロセス • • • • ドライエッチング（ICP、Cl系） 蒸着（SD＝Ti/Al系、ゲート =Ni/Au系 アニール イオン注入（アイソレーション） The University of Tokushima 6 AlGaN/GaN HFET for Base Station • GaN HEMT – – – – f=0.9～3.5GHｚ IDS= 100～1000mA High Operating Voltage: 50 V High Breakdown Voltage: 350 V • Designed for 3G / LTE / WiMAX base station – – – – Optimized for Doherty Architecture High Power: Up to 320 W Psat Single Ended High Gain: Gp=16 dB @f=2.6 GHz, 210 W Device High Efficiency: 60-70 % with Internal Class F matching （From HP of Sumitomo Electric Device Innovations, Inc.） The University of Tokushima 7 Vertical FETs for Power Electronics • On n-GaN substrate • High current density • Separation of drain terminal MISHFET Toyota CRL, Toyota Moter (JJAP 2007) MOSFET Rohm Co., Ltd (Appl. Phys. Exp, 2008) The University of Tokushima HFET Sumitomo Elec. Innovation (Appl. Phys. Exp, 2010) 8 パワーMOSFETの耐圧破壊モデル 電子電流 高電界でのアバランシェ ホール発生 OFF耐圧： ドレインリーク電流 ゲートリーク電流 ON耐圧： ドレイン電流 基板／表面が正に帯電 電子電流の増大 熱破壊 I.Yoshida, et.al, IEEETrans. on ED, ED-27(1980) The University of Tokushima 9 パワーMOSFETの構造 p-substrate LDMOS（モトローラ） The University of Tokushima 縦型MOSFET 10 材料、デバイスによる耐圧比較 Eg (eV) Si 1.11 Ec (V/μm) デバイス 最大電圧 29 RF用LDMOS パワーMOS IGBT ～200V ～1000V ～7000V ～30V ～50V ～600V? GaAs 1.42 38 MESFET、 HEMT InGaPチャネル GaN 3.4 330 HEMT GaNの耐圧は Siの10倍か、GaAsの10倍か? The University of Tokushima 11 p型層の役割 • ホールのドレイン – 低抵抗のp型層 – 低抵抗のp層オーミックコンタクト • 低容量フィールドプレート – 低抵抗 – 高ホール移動度 S G D p－ p+ i-GaN • n型チャネルと共に高周波特性を決める • リサーフ構造 – 選択埋め込み • イオン注入? • エッチング&再成長? The University of Tokushima 12 パワーデバイス開発の問題点 • DCでの高耐圧、DCでの低オン抵抗、の発表が多い – トラップが関連している、ホールの移動度が低い – 交流動作で高耐圧と低オン抵抗が両立するか？ • アバランシェ耐量がほとんど無い – ホール抜きp層が無い • シリコンデバイスと競争するには – 高度なp型層技術 • 低抵抗コンタクト、選択埋め込み、高精度濃度制御 – ホール移動度の確認 The University of Tokushima 13 GaN p層の問題 • 水素の結合でアクセプタの実現が遅れた • アクセプタ準位が深い準位=活性化しにくい m ε E(eV) 0.19 11.9 0.025 Si (acceptor) 0.16 11.9 0.021 GaAs (donor) 0.063 12.9 0.007 GaN (donor) 0.27 10.4 0.046 GaN (acceptor) 0.8 10.4 0.138 Si (donor) The University of Tokushima 14 応用分野(2) 短チャネル化 ワイドバンドギャップ 高電界 ( V↑ ) 高電圧 高電流 短チャネル 微細化 高出力 超高周波 パワエレ 携帯基地局 >600V 2GHz, 100W The University of Tokushima ミリ波 MMIC >20GHz ・材料物性が 直接表れる。 ・複雑な構造 が作れない。 ( L↓ ) マイクロ波 電力伝送 15 電圧限界：トランジスタ微細化の終点 • Lower Voltage Limit – VDD > 4kT/q for amplifier Gvoltage > 1. From C.Mead & L.Conway, “Introduction to VLSI Systems”(1980) –For practical applications, • Analog circuits ; G>>1 • Digital circuits ; NAND, NOR VDD > 10kT/q ≈ 250mV at 300K. The end of the scaling rule! (regardless of material!) The University of Tokushima 16 抵抗負荷型トランジスタ増幅回路 増幅器出力電圧 VOUT VOUT = RTR RTR VDD + RLOAD ゲイン G G= dVOUT RLOADVDD dRTR = dVIN (RTR + RLOAD )2 dVIN VDD I ＲLOAD VOUT ＲLOAD ΔVOUT ΔＲTR ＲTR ＲTR GND VDD V 抵抗の変化はマクスウエルボルツマン分布に従う ⎛ V ⎞ RTR = RO exp⎜ − IN ⎟ ⎝ αkT ⎠ R ∂RTR = − TR αkT ∂VIN cf, FET線形領域 RO ∂R =− ∂VG VG − V TH α；1以上。デバイス構造による The University of Tokushima 17 電源電圧と最大増幅率 Gの最大は RLOAD= RTR ＮＯＲ回路 VDD VDD G≤ 4αkT LOAD VDD>4αGkT VOUT NAND、NORなどn入力論理回路 G > 1 ⇒ VDD>4αnkT DRIVER GND （但し、線形抵抗を用いた場合） The University of Tokushima 18 非線形抵抗を用いる場合 •非線形抵抗 ドライバ； トランジスタの飽和領域 ロード； 定電流源、DFET •非線形性も マクスウエルボルツマン分布の制約 I = I o [1 − exp(− V / kT )] （論理回路） I ＲLOAD ΔVOUT ΔＲTR ＲTR V'DD V VDD>4αnkT ⇒ VDD> 2log(2n+1) αkT （アナログ回路） VDD>4αGkT ⇒ VDD> 2log(2G+1) αkT The University of Tokushima 19 必要電源電圧 論理回路 飽和型抵抗 線形抵抗で計算 入力数 必要電圧 (kT/q) 必要電圧 (kT/q) 1 2.20 4 10 6.09 40 100 10.61 400 1000 15.20 4000 10000 19.81 40000 n 2log(2n+1)kT 4kT The University of Tokushima 20 電源電圧の下限 • 他の課題 – 信号振幅、しきい値変動、電源電圧変動、温度マージン • デジタル回路 – ３入力ＮＡＮＤ、ＮＯＲの場合 3.89αkT ⇒ 10kT ＝ 250mV @室温 • アナログ回路 –さらに高い電圧 The University of Tokushima 20kT = 0.5V？ 21 電圧限界下での速度比較 Channel length L MIN VDD = ECRIT Operation frequency f T = vSAT = vSAT ECRIT 2π L MIN 2π VDD At VDD=0.25V ECRIT min L vSAT max fT (unit) silicon GaAs GaN V/μm nm 107 cm/s THz 29 8.6 1.0 1.9 38 6.7 2.0 4.8 330 0.76 2.0 41.9 The University of Tokushima 22 VLSIの微細化トレンド GaN Silicon 2001 ITRS(International Technology Road Map) The University of Tokushima 23 50nm FETシミュレーション AlGaAs/GaAs 3 Lg=0.05μm AlGaN/GaN HEMT 2 1 Vg=0, -0.25, -0.5, -0.75V 0 0 5 10 Drain Voltage Vd [V] 15 Drain Current Id [A/mm] Drain Current Id [A/mm] AlGaN/GaN 6 Lg=0.05μm AlGaAs/GaAs HEMT Vg=0, -0.25, -0.5, -0.75V 4 2 0 0 0.5 1.0 Drain Voltage Vd [V] VBD>10V at LG=50nm Y.Kawakami, et.al., Trans. IEICE, Vol.E86-C No.10 pp.2039-2042(2003) The University of Tokushima 24 0.1μm AlGaN/GaN HFET fT = 85GHz fmax = 230GHz G = 8dB at 76.5GHz BVON > 50V @Igd=1mA/mm POUT = 130mW @ 76.5GHz, VDS=30V, WG=240μm (on semi-insulating SiC substrate) Fujitsu Labs., IEICE Technical Report ED2008-221 The University of Tokushima 25 US DARPAの "NEXT" プログラム (Phase I) fT = 300GHz fmax = 350GHz BV > 17V • • • • • epitaxial regrowth for S/D ion implanted contacts self-aligned S/D ultra short gate length (<30nm) T-gate The University of Tokushima 26 サファイア上GaNのMMIC • Sapphire wafer – GaN epitaxial growth substrate – MMIC planar circuit substrate • • • • low parasitic capacitance: high dielectric constant: low dielectric loss large diameter wafer 9.4(⊥c) , 11.5(//c) tanδ<0.01 • Monolithic integration of – active device, AlGaN/GaN HFET – passive components – planar circuits The University of Tokushima 27 3次元実装ミリ波トランシーバ • Stack of three chips – Plastic antenna plate – AlGaN/GaN HFET amplifier on sapphire – Base-band CMOS LSI ⇒ low assembly cost wireless interconnection • Problem Interconnection ! The University of Tokushima antenna on plastic plate silicon LSI (base band) AlGaN/GaN HFET on sapphire (modulation, amplify) 28 GaNに適した応用分野 • 細かい細工が不要、またはできない分野 • 材料物性が直接表れる分野 – 極短チャネル超高速デバイス – ミリ波MMIC – 高周波用ショットキーダイオード The University of Tokushima 29 マイクロ波を用いた無線電力伝送 The University of Tokushima 30 無線送電の伝送方式による分類 • 電磁誘導 • ～100kHz，λ=3km • フェライトによる磁場閉じ込め(×) • 伝送距離 D << λ • 電場・磁場共鳴 • • • • ～10MHz，λ=30m 共振器結合 D～λ 部品サイズ～λ • 進行波 • マイクロ波 ～10GHz，λ=3cm • 光 ～1PHz，λ=0.3μm • D>>λ • 部品サイズ～λ The University of Tokushima 31 マイクロ波電力伝送の特徴 • 伝送手段が多彩 – ビームアンテナ方式：長距離 – 導波管 – 共振器間共鳴：短距離非接触、超小型軽量 • 送電部、受電部は共通技術 – 汎用品が構成できる • 送電部技術は既に成熟 – パワーFET開発 The University of Tokushima 32 宇宙太陽光発電所からの電力輸送 5.8GHz（λ=52mm) 1km 1km 36,000km RFユニット： （10W、10cm×10cm） アンテナエレメント：100RFユニット （1kW、1m×1m） SSPS： 1,000,000アンテナエレメント （1GW、1km×1km） 長さ→1/105 100mW λ=520nm（緑色) 1cm 1cm 360m The University of Tokushima 33 マイクロ波電力伝送システムの構成 AlGaN/GaN HFET F級アンプ DC⇒RF変換 GaN SBD • アンテナ • 導波管 • 共振器 RF⇒DC 変換 (Rectenna) 送電方式にかかわらず、 DC/RF, RF/DC変換部は共通 The University of Tokushima 34 DC ⇒ RF 変換部 • Class F Amplifier – Amplify higher order harmonics (×5, ×7) – High frequency performance of GaN ⇒ High-efficiency! • GaN HEMT Class F Amplifiers • 2.0 GHz, 16.5 W, ηdrain=91%, PAE=85.5% • D. Schmelzer, et. al. (CSICS 2006) • 3.5 GHz, 11 W, ηdrain=82%, PAE=78% • P. Saad, et.al.(EuMC2009) • 5.7 GHz, 2.8 W, ηdrain=77.1%, PAE=68.7% • K.Kuroda, et.al. (EuMC2008) The University of Tokushima 35 マイクロ波による非接触電力伝送 • オープンリング共振器接続 • GaNショットキーバリアダイオード 整流回路（レクテナ） Open-Ring Resonator λ/4 iDC RF The University of Tokushima GaN SBD C RLOAD VDC 36 GaN ショットキバリアダイオード •active layer: t=1.4μm, ND=1x1017cm-3 BV>100V •access layer: SiO2 Ni/Au t=1.2μm, ND>5x1018cm-3 •cathode recess etching: ICP, SiCl4 Ti/Al/Ti/Au (50/200/40/40nm) N2, 850˚C for 1 min. n--GaN Au plating RDIODE RACCESS n+-GaN semi-insulating SiC •anode Ni/Au (50/100nm) The University of Tokushima K. Takahashi, et.al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.48, No.4, 04C095 (2009) 37 １次元モデルによるダイオード設計 • 破壊電界EC、電子移動度μ アノード n - -活性層 ND 、厚さt、面積S • 最大電圧 VMAXを決める – ポアソン方程式から t = xD max = ND = VMAX = n+ -アクセス層 E x qN D 2 xD max < C D max 2ε 2 カソード 2VMAX EC εE C 2 EC (V/μm) μ (cm2/Vs) τ (relative) Si 29 1400 1 εS GaAs 38 8500 10.4 t SiC(4H) 249 980 51.6 GaN 330 1600 148 2qVMAX RON = C MIN = t SqμN D τ = RON C MIN = The University of Tokushima 2VMAX μEC2 38 整流用ＧａＮショットキーダイオード – マルチフィンガー構造 Diodes • 5フィンガー • (2μm×100μm) / 1フィンガー – 活性層 t=1.0μm, ND=1x1017cm-3 VBR ～70V – アクセス層 t=1.2μm, ND>5x1018cm-3 RS～8Ω The University of Tokushima Anode Pad Cathode Pad chip SiO2 Ni/Au Au plating Ti/Al/Ti/Au n--GaN RDIODE RACCESS n+-GaN semi-insulating SiC 39 参考：GaAs ダイオード From NASA Rep. CR-135194 (1977) •n+-substrate nD～1018cm-3 ρ～1mΩcm •n--epi-layer ～1016cm-3 nD t =2～3μm Cj0=3.5pF RON=0.67Ω τ=2.35ps VBR=60V VF=0.5V The University of Tokushima 150μmφ Schottky metal (Pt or W) n+-sub n--epi Ohmic metal (Pt or W) wet etching (70～125μmφ ) plated heat sink (gold) package NASA Rep. CR-135194 (1977) 2.45GHz, 8W, η=90.6% (highest efficiency, ever obtained) 40 マイクロ波共振器による電力伝送 • オープンリング共振器とは – 半波長共振器 – まっすぐならダイポールアンテナ ⇒ 端部を近づける(放射を押さえる） λ/2 λ d= 2π 電圧 λ/2 The University of Tokushima 41 共振器間の共鳴によるエネルギー交換 S21 •共振器を近づけ •電磁結合によるエネルギー交換 •共振周波数が分離 •バンドパスフィルター(BPF)形成 The University of Tokushima f2 f0 f1 結合係数 結合係数 共振周波数 S11 共振器間距離 結合係数 2 × ( f 2− f 1 ) k= f 2+ f 1 42 バンドパスフィルター特性 • 結合係数 k • 共振器外部 Qe φ Qe = π ZS 2Z R 1 sin 2 φ – Zr リング特性インピーダンス – ZS 信号線特性インピーダンス – φ 信号線取りつけ位置 • バターワース型フィルタ 1 Qe = k （φで調整） Ikuo Awai and ArunKumar Saha. Open ring resonators applicable to wide-band BPF. In Proc. Asia-Pacific Microwave Conference (APMC 2006), pp. 167 -- 170, (2006). The University of Tokushima 43 透過周波数とリングサイズ λ/2 d= V λ 2π λ/2 d(mm) λ(mm) f(GHz) εr=1 10 1 300 47.7 15.1 2.45 122 19.5 6.2 10 30 4.8 1.51 60 5 0.80 0.25 100 3 0.48 0.15 The University of Tokushima 44 共振器結合による無線接続 •BPF by open-ring resonator coupling 0 S11 S21 S11 S21 (dB) -5 -10 -15 -20 -25 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 Frequency (GHz) HFSS Simulation •ring diameter=0.24mm •sapphire thickness = 0.2mm The University of Tokushima 45 伝送特性の測定方法 プローブ 測定の概略図 実験 測定機器： ネットワークアナライザ E8361A and N5260A θ=30o~110oのリングを用意 インピーダンスマッチングをとるため The University of Tokushima 46 測定結果 S21MAX=-2.30dB 帯域幅(3dB定義) 8.6GHz ＠80deg 高周波側にシフト・最適挿入角度のずれ ⇒ワックスの影響、気泡の影響 The University of Tokushima 47 Interconnections between Chips Wired wire bonding bump TSV Wireless on-chip antenna inductive coupling OE-IC • Our approach – ECOR (Electromagnetic Coupling of Open-ring Resonators) – resonator coupling at 60GHz band – d ≈ 250μm on Si or sapphire antenna (on plastic) d GaN HFET (on sapphire) λ/2 silicon LSI The University of Tokushima 48 レクテナ基板の構造 基板： テフロン（AD1000） (εr=3.0, tanδ=0.025, t=0.5mm×2 ) 層間膜：PET (εr=3.0, tanδ=0.025, t=0.5mm×2 ) 設計周波数 ： 2.45GHｚ The University of Tokushima 49 プリント基板間の伝送特性 回路基板 テフロン板(AD1000) εr = 10.2 tanδ=0.002 基板厚=0.64mm リング直径 8.1mm εr = 3.0，tanδ = 0.025、厚さ=1.0mm 0 S11 (シミュレーション) S21 (シミュレーション) -5 S11, S21 [dB] 基板間挿入の絶縁板 ポリエチレンテフタレート (PET) S11 (実測) S21 (実測) -10 -15 -20 -25 @2.45GHz |S21|2 ： -1.2dB (76.1%) |S11|2 ： -21.1dB （0.8%） -30 帯域（-3dB）： 0.5GHz （2.2～2.7GHz） The University of Tokushima 0 1 2 3 Frequency [GHz] 4 5 50 ダイオード実装方法 The University of Tokushima 51 実験に用いたレクテナ回路 • 直結型 stub λ /4 D RF C RL V DC • 非接触型 Open-Ring stub λ/4 RF D The University of Tokushima C RL VDC 52 直結レクテナ：入力電力依存性（200Ω負荷） f=2.45GHz、負荷抵抗200Ω 60% ηDIODE 50% ηOUT 21 18 15 VOUT 40% 12 30% 9 20% 6 ηREFL 10% 3 0% 0 0 The University of Tokushima DC Voltage[V] 70% Efficiency [%] 入力電力=2.7W RF/DC変換 ηOUT ： 55.4％ 反射率 ηREFL ： 17.4％ ダイオード効率 ηDIODE ： 67.1％ 出力電圧 VOUT ： 17.3V 1 2 Input Power [W] 3 53 非接触レクテナ：入力電力依存性（200Ω） ηDIOD 70% E The University of Tokushima 24 ηOUT 50% 20 40% 16 30% 12 20% 8 ηREF 10% 49.4%の内訳 オープンリング透過率： ダイオード反射率： ダイオード効率： 28 VOUT 60% Efficiency [%] 入力電力=6.1W RF/DC変換 ηOUT ： 49.9％ 反射率 ηREFL ： 8.6％ ダイオード効率 ηDIODE ： 77.2％ 出力電圧 VOUT ： 24.7V 32 4 L 0% 0 0 76.1% 11.3% 77.2% DC Voltage [V] 80% f=2.45GHz、負荷抵抗200Ω 1 2 3 4 5 Input Power [W] 6 7 54 GaNの用途 まとめ • p型層の困難さのため、当面のGaNの用途は、単 純な構造で性能が出せる微細化、超高周波であ る。 • マイクロ波電力伝送は、GaNの出現で初めて実現 できる大きな用途である。 The University of Tokushima 55 AlGaN/GaN HFETの電流コラプス • ゲートエッジ表面の負帯電 負電荷 • i-GaN層の負帯電 S D G AlGaN GaN High voltage Sapphire The University of Tokushima 56 電流コラプス現象の測定例 (a) A. Koudymov et al., IEEE Electron Device Letters, 24, pp.680-682 (2003) The University of Tokushima (b) A.P. Edwards et al., IEEE Electron Device Letters, 26, pp.225-227(2005) 57 表面負電荷注入によるコラプス EC insulator Ssurce gate 負電荷注入領域 drain AlGaN E1 G Emid E2 -(φM-E2)/q i-GaN チャネル sapphire -Q EV S T1 T2 D 仮想ゲート部がホールトラップ ＝ ゲートバイアスにピン。 The University of Tokushima 58 仮想ゲートによる２段階飽和 （仮想ゲート） 負電荷注入部＝ホールトラップ 負電荷領域： 表面準位ΔET=-1eV NNC =-1×1013 cm-2 , LNC=400nm, VG=0 0.4 2nd saturation 0.3 1st saturation 0.1 3.0 2.0E+20 2.0 1.5E+20 1.0 V D =0V 0.0 V D =1V 1.0E+20 V D =2V 5.0E+19 V D =3V V D =4V -4.0 0.0 0 10 DRAIN VOLTAGE(V) 20 The University of Tokushima Charge Gate -3.0 負電荷あり Gate Charge V G =0V, ⊿E=-1eV -2.0 負電荷無し D 2.5E+20 -1.0 0.2 S eDensity[cm-3] DRAIN CURRENT(mA/μm) 0.5 CONDUCTION BAND ENERGY(eV) 4.0 0.6 LNC GATE AlGaN GaN -1.5 -1 -0.5 0 0.5 X(μm) 1 AlGaN表面ポテンシャル 1.5 0.0E+00 -1.5 Vd=0 Vd=1.25 Vd=2.5 Vd=3.75 Vd=5.0 Vd=10 -1 -0.5 0 X[μm] 0.5 1 1.5 2DEG電子濃度ドレイン電圧依存性 59 L NC=200nm, VG =0V E T From Valence Band 1eV 0.4 NNC(cm-2) 負電荷なし 4×1012 8×1012 1×1013 2×1013 1×1014 0.2 0.0 0 5 10 15 20 0.6 0.6 0.5 0.5 Drain Current[mA/μm] D r a in C u r r e n t ( m A ) 0.6 DRAIN CURRENT(mA/μm) 2Dデバイスシミュレーション結果 0.4 0.3 E T From Valence Band Charge0 ⊿E=1.5 eV ⊿E=1.0 eV ⊿E=0.5 eV ⊿E=0 eV 0.2 0.1 負電荷濃度NNC依存性 LNC=400nm, ⊿E=-1eV The University of Tokushima 0.3 L NC 0 100nm 200nm 400nm 600nm 0.2 0.1 0 0.0 Drain Voltage(V) 0.4 0 0 10 DRAIN VOLTAGE(V) 20 準位エネルギー依存性 NNC =-1×1013 cm-2 LNC=400nm, VG=0 5 10 15 20 Drain Voltage[V] 負電荷堆積距離LNC依存性 ⊿E=-1eV, NNC= -1×1013 cm-2 60 結晶起因のコラプス S 3μm G ストレス印加（OFF,50V) W＝50μm D u-Al0.25GaN 25nm 16 non-dope（残留Cドープ) 14 Drain Current Id(mA) ノンドープ 3μm 3μm 12 10 GaN（undoped） 3000nm Sapphire Fe-dope 8 6 4 2 0 0 MOCVD法で成長 The University of Tokushima 2 4 6 8 Drain Voltage Vd(V) 10 61 回復過程のLED照射依存性 0.6 ストレス印加 光照射 0.5 評価 VG=-5V 0.4 VD=0.1V VG=0V 10s 0s 7s 14s blue D rain C u rre n t(m A ) VD=50V UV 2.6eV 0.3 t 紫外光ランプ照射 (リフレッシュ) ＜使用光源＞ ・赤外光 (1.3eV) ・赤色 (1.9eV) ・青色 (2.6eV) ・紫外光 (3.4eV) The University of Tokushima 1.9eV 0.2 dark, IR, red 0.1 0 0 10 20 30 Time(s) 1.9~2.6eVのトラップが負帯電 62 GaN n-i-n構造シミュレーション 1μm NSD=1x1019cm-3 0V 3μm Semi-insulating 1μm NSD=1x1019cm-3 0 V→50V 50 V→0V NDD=2x1017cm-3､σN=σP=1x10-12cm2 NSA=1x1017cm-3 • (電子トラップ基板） ET=1.0eV from CB for E-trap(τe=780s 、τh=8.5x1025s) • (ホールトラップ基板） ET=2.4eV from CB for H-trap(τe=2.5x1026s 、τh=260s) The University of Tokushima 63 0V→50V（ストレス印加過程）の場合 ① ② ③ ④ CB Level at i-GaN Center(eV) 40 30 1μm 20 10 0 0V -10 3μm NDD=2x1017cm-3､σN=σP=1x10-12cm2 25 NSD=1x1019cm-3 ET=1.0eV from CB for E-trap(τe=780s τh=8.5x10 26s) 2.4eV from CB for H-trap(τe=260s τh=2.5x10 s) NSA=1x1017cm-3 1μm NSD=1x1019cm-3 0 V→50V 50 V→0V -20 -30 1.E-12 1.E-06 1.E+00 1.E+06 1.E+12 1.E+18 1.E+24 1.E+30 Time after Bias Change(s) 電子トラップ型基板 The University of Tokushima ホールトラップ型基板 64 50v→0v（回復過程）の場合 電子トラップ型基板 The University of Tokushima ホールトラップ型基板 65 回復過程の温度依存性（実測） 1.E+10 0.5 Undoped 1.E+08 0.4 1.E+06 τ T 2 [K 2 s] Drain Current(mA) 0.6 0.3 1.E+04 50℃ 100℃ 150℃ 180℃ 0.2 0.1 100 200 Time(s) 300 [評価条件] [ストレス条件] VD=0.1V VDst=50V VG=-5V VG=0V 印加時間 60s The University of Tokushima EC-ET=0.8eV σn=10-15cm2 1.E+02 0 0 Fe-doped 400 1.E+00 2 3 4 5 1000/T[K-1] 6 7 SRHモデルによる トラップパラメータ推定値 σn EC-ET 1.3×10-29cm2 -41.8meV 66 バンド間トンネルによるホールの生成 GaN AlGaN S G D VG:OFF AlGaN 高電界 i-GaN 負帯電領域 サファイア ホール生成 VG:ON ψFE The University of Tokushima 67 GaN電流コラプス まとめ 1. GaNの電流コラプスは、SRHモデルと – 界面準位への負電荷注入 – i-GaN層トラップの負帯電荷注入 でほぼ説明できる – ホールトラップが重要な役割 2. 遅い過渡応答過程では他のGR過程が 増速 The University of Tokushima 68 GaN MOSFET • Source/drain : HEMT channel • Gate : plasma CVD SiO2 – gate : plasma CVD oxide – NSS=1.6～3.3×1011/eV・cm2 2 – μe=137cm2/V・s 1.8 D r a in C u r r e n t ( m A ) – J.P.Ao, et.al, (2010 ISCS) Vg=15V 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0V 0.2 0 The University of Tokushima 0 3 6 9 12 15 18 21 Drain Voltage (V) 24 27 30 69 GaN MOSFET Fabrication Device structure n-AlGaN and n-GaN of 1×1019/cm3 are used to decrease the current collapse effect The University of Tokushima 70 Current-Voltage Characteristics L = 94 μm W = 819 μm Long Channel Ringtype ¾ Long channel ring-type MOSFET : characterize μFE and Dit. ¾ Enhancement-Mode operation up to 10 V is confirmed The University of Tokushima 71 Mobility of Long Channel Ring-Type = 94 μm W = 819 Longμm Channel Ringtype L Reasonable mobility C-Gm method based on GCA μFE = 151 cm2/Vs The University of Tokushima 72 ICP Dependency of Mobility ¾ MOSFET with SiO2 mask performs better than that of photoresist. ¾ Mobility decrease higher bias power. Reason for mobility decrease: at ¾ Maximum mobility of 152.8 cm2/Vs was obtained. ¾Higher etching damage, Higher Si contamination, Higher surface roughness The University of Tokushima 73 ICP Dependency of Interface State Density Interface State Density (cm-2eV-1) 5x1011 4.38×1011 4x1011 3.17×1011 3x1011 2x1011 1.61×1011 1.39×1011 1x1011 0 100/20/photoresist 100/20/SiO2 100/40/SiO2 100/60/SiO2 ICP Conditions Reason for Dit increase: ¾Higher etching damage ¾Higher Si contamination The University of Tokushima ⎛ kT ⎞⎛ Cit ⎞ ⎟⎟ S = dVg / d(logI D ) = ln10⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜1+ ⎝ q ⎠⎝ COX ⎠ Dit = C it / q 2 74 GaN MOSFET まとめ • GaNのMOSFETは正常に動作 • ゲート膜はプラズマCVD SiO2、ALD Al2O3な ど • 移動度は160cm2/Vsにとどまる • エンハンスメント動作可能 The University of Tokushima 75
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