ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2015 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 フェーズ名：実用化開発 ＜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＞ 事業実施法人名：パナソニック(株) 名古屋工業大学 産業技術総合研究所 研究開発期間：平成２０年６月～平成２３年２月 １．研究開発の背景、目的、目標 2 １．１．パナソニックにおけるＧａＮデバイス開発 ■パナソニックでは1999年より研究開発を開始、2004年にパワー⽤途にも展開 NEDOﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ 2008-2010年 ｲﾝﾊﾞｰﾀ高効率化のた めのGaN双方 向ｽｲｯﾁ 2011-2013年 GaN DC系電力 変換ﾃﾞﾊﾞｲｽ 2014-2016年 GaN双方向電力 変換器の開発 パワースイッチング応用 融合 ノーマリーオンSi上 GaNパワーFET 10ｋV FET ノーマリーオフ GIT GaN インバータIC NSJ ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ GaN双方向 トランジスタ 統合設計環境 GaN受信IC 共鳴器 GaN送信IC 2000 マイクロ波 GaNパワーFET 2001 低雑音 GaNFET 2002 2003 2004 マイクロ波 GaN SW-IC 短ゲート GaN FET 制御 出力1 Output 1 入力 Input Transfer HFET Output 2 出力 2 Shunt HFET 高周波応用（マイクロ波、ミリ波） 2005 制御 2006 2007 2008 2009 K帯 GaN MMIC 2010 2011 2012 2013 2014 絶縁ゲート ドライバ素子 １．研究開発の背景、目的、目標 3 １．１．背景 ＜位置付け、必要性、重要性＞ ■ インバータは省エネルギー化実現のためのコア技術であり、その⾼効率化が 強く求められている 家庭での電力消費内訳 家庭での電⼒消費内訳 電気カーペット 4.3% エアコン 25.2% テレビ 9.9% 照明用 16.1% 冷蔵庫 16.1% 出典：エネルギー白書 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 8基の⽕⼒発電所相当 3000kWh/年 ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ ｲﾝﾊﾞｰﾀ エアコン 年間消費電力（ １台当り） 温水洗浄 便座 3.9% その他機器 20.2% 年間消費電力（ １台当り） 衣類 乾燥機 2.8% 食器洗浄 乾燥機 1.6% インバータによる省エネ効果（１台あたり） 1000kWh/年 ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ ｲﾝﾊﾞｰﾀ 冷蔵庫 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） １．研究開発の背景、目的、目標 4 １．１．背景 ＜国内外の市場動向・技術動向＞ ■ インバータにはシリコン(Si)デバイスが⽤いられる ⾼効率化はSiデバイスの特性で制約 ⇒ 新材料のイノベーションが必要 電流電圧特性の⽐較（同⼀サイズ） デバイス耐圧とオン抵抗の関係 1.2 オン抵抗 (mWcm2) 電流 (A/mm) 電圧 20倍 10 2 1.0 ＧａＮ 0.8 10 1 0.6 0.4 10 0 Ｓｉ 0.2 0.0 0 抵抗 1/1000 20 40 60 電圧 (V) 80 100 10-1 2 10 103 耐圧 (V) GaN（窒化ガリウム）はシリコンの物性限界を⼤きく凌駕 104 １．研究開発の背景、目的、目標 5 １．２．従来の課題、目的、目標 ＜目的、目標＞ ＜従来の課題＞ Siデバイスは電流電圧特性に電圧オフセット ⇒ インバータ損失⼤ GaNパワーデバイスを⽤いた新規インバータ 従来のSiインバータ回路 Si-IGBT 電圧オフセット無く双⽅向に電流を流せる GaNパワーデバイスによりインバータ損失低減 GaNパワーデバイス ダイオード IF IF 駆動電流 IF ﾓｰﾀ ﾓｰﾀ 駆動電流 還流電流 電流 電流 I 電力ロス R 電圧 IR IR 電流 電力ロス VF VF 損失 = VF・IF + VF・IR RON 電流 IF 電圧 還流電流 RON IR 電圧 損失 = Ron・IF2 電圧 + Ron・IR2 １．研究開発の背景、目的、目標 6 １．２．従来の課題、目的、目標 ＜目的、目標＞ ダブルゲート型のGaNパワーデバイスで双⽅向スイッチを実現 従来のIGBTを⽤いた双⽅向スイッチ ダブルゲート型GaN双⽅向スイッチ断⾯図 IGBTとダイオード 合計４素子 Source (S1) Gate1 (G1) Gate2 (G2) Source2 (S2) i-AlGaN １素子で双方向 機能を実現 i-GaN バッファ層 基板 オン抵抗=3.1mΩcm2 電流 電圧 ＰＮ接合ダイオードによる オン電圧ドロップが発生 Ids (mA/mm) ソース間電流 (mA/mm) 400 Vg1=Vg2=5V 300 4V 3V 2V 200 100 0 1V -100 -200 オン電圧ドロップのない 良好な双方向スイッチ動作 -300 -400 -10 -8 -6 -4 -2 0 Vds (V) 2 4 ソース間電圧 (V) 6 8 10 ２．研究開発体制、研究開発内容 ２．１．研究開発体制 7 （２００８年度） パナソニック株式会社 ・セミコンダクター社 デバイス設計・試作・評価 研究開発責任者 ・ホームアプライアンス社 エアコンインバータ設計・評価 パナソニック株式会社 上田 大助 ・先端技術研究所 IC/モジュール実装・評価 ＧａＮ基礎物性評価 名古屋工業大学 ＧａＮ結晶成長 （独）産業技術総合研究所 デバイスモデリング 再委託先 パナソニックエコシステムズ 小型空調インバータ設計・評価 ２．研究開発体制、研究開発内容 8 ２．２．研究開発内容 （１）ＧａＮ結晶成長技術の研究（ＧａＮ層厚膜化・耐圧向上） 熱膨張係数： Si < GaN < AlN 格子定数： Si > GaN > AlN GaN GaN GaN ① AlN Si基板 Breakdown Voltage (V) 1000 ■熱歪をAlN/GaN超格⼦の格⼦歪で緩和 ■総膜厚の増加に伴い耐圧が向上し、 9.0 μmにおいて耐圧1813 Vを達成 圧縮歪 ② 多層膜緩衝層 (AlN/GaN SLS) 応 力 緩 和 Si基板 GaN:理論値 Ec=~300 V/m (~3x106 V/cm) 貫通転位 の影響？ 500 表面に大きさ1 m程度 のピットがあるサンプル 測定値：~180 V/m (~1.8x106 V/cm) 0 0 1 2 3 Total Thickness (m) 4 5 <名古屋工業大学＞ ２．研究開発体制、研究開発内容 9 ２．２．研究開発内容 （１）ＧａＮ結晶成長技術の研究（移動度向上・均一化） HFETエピ断面構造 断面TEM写真 ■合⾦散乱を抑制できる薄膜AlNスペーサ 導⼊と成⻑圧⼒検討により ・移動度最⼤ 1826cm2/Vs ・均⼀性±4.8% を実現 <名古屋工業大学＞ ２．研究開発体制、研究開発内容 10 ２．２．研究開発内容 （２）デバイス技術：双方向スイッチの大電流化・高耐圧化 オン特性 IIS2S1 S2S1(A)[A] ■６インチSi基板上GaNプロセスを確⽴ ■⼤電流・⾼耐圧GaNパワーデバイス特性を確認 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -10 G1 G2 最大電流120A VG1=4V S2 S1 VG1=3V VG1=2V VG1=1V VG2=4V -5 0 VS2S1 VS2S1(V)[V] 5 10 オフ特性 1E-04 G1 8E-05 G2 VG1=VG2=0V 6E-05 IS2S1 (A)[A] IS2S1 4E-05 S1 S2 2E-05 0E+00 -2E-05 耐圧770V -4E-05 -6E-05 -8E-05 -1E-04 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 VS2S1 [V] 200 300 400 500 <パナソニック株式会社＞ VS2S1(V) <パナソニック＞ ２．研究開発体制、研究開発内容 11 ２．２．研究開発内容 （３）インバータ技術：ＧａＮインバータの高効率動作確認 効率の出⼒依存性 ■エアコン実機⽤GaNインバータを構築し 効率99.3%を達成 ■従来IGBTと⽐較し損失を1/2以下に 削減 GaNインバータボード ゲート回路 GaN双方向SW 商用 電源 P F C 出力電力 測定位置 M エアコン コンプレッサ PFC制御 制御用 マイコン 99.3% GaNパワーデバイス 99 効 率 (%) 評価装置全体構成 入力電力 測定位置 100 98 Si-IGBT 97 評価に使⽤したエアコン 96 95 94 93 92 0 500 1000 1500 出力 (W) <パナソニック＞ ２．研究開発体制、研究開発内容 12 ２．２．研究開発内容 （３）インバータ技術： インバータのワンチップ集積化 ■GaNトランジスタを集積化し初めてGaNワンチップインバータを実現 ■モータ駆動を確認し、IGBTと⽐較しインバータ変換損失を42%低減 インバータICの構造 GaN-based Gate Injection Transistor(GIT) U V W M Fe(鉄)イオン注入 による高耐圧素子 分離技術を開発 <パナソニック＞ チップ写真 ２．研究開発体制、研究開発内容 13 ２．２．研究開発内容 （４）ＩＣ/モジュール実装技術：両面放熱型リードフレーム ■⾼放熱・⼩型化を⽬指した新実装技術を開発 ①パッケージの抵抗・インダクタンスの低減 ②パッケージの上部、下部の放熱板 （両⾯放熱構造）で放熱性向上 ③フレーム⼀括実装＋樹脂モールドで安価 断⾯図 Cuブロック GaNチップ 絶縁膜 ハンダ パッド 放熱板 プリント基板 外観写真 GaNチップ ﾘｰﾄﾞﾌﾚｰﾑ 放熱板 インバータ駆動評価結果 ２．研究開発体制、研究開発内容 14 ２．２．研究開発内容 （４）ＩＣ/モジュール実装技術：新規ヒートパイプパッケージ ■パッケージにヒートパイプ構造を採⽤して、チップ表⾯を液体で直接冷却 ２．研究開発体制、研究開発内容 ２．２．研究開発内容 （５）等価回路モデル・シミュレーション技術の開発 15 ２．研究開発体制、研究開発内容 ２．２．研究開発内容 （５）等価回路モデル・シミュレーション技術の開発 ■等価回路パラメータから計算したスイッチング損失は測定結果と良く⼀致 <産業技術総合研究所＞ 16 ３．成果、実績、展望等 17 ３．１．成果 GaN結晶成長技術 SiとGaN層の間にGaN/AlN歪超格子を挿入によるエピ厚膜化により総膜厚9.0μmを実現、エピ（縦 方向）耐圧として1813Vを実現。移動度を1826cm2/Vsまで向上。6インチ成長を確認。 デバイス技術 6インチ基板上でのGaNパワーデバイスにおいて最大電流120A、耐圧770Vを実現。 インバータ技術 GaNパワーデバイスをエアコン実機に適用し、1.5kW動作、最大効率99.3%達成。中間出力時にお いて、従来のIGBTと比較し損失を21.8W低減し、当初目標(10.24W以上)を達成。 ワンチップ集積化ICによるインバータ駆動を世界で初めて確認、変換損失をIGBTと比較し42%低減 IC/モジュール実装技術 モジュール用両面放熱型リードフレーム実装、高放熱ヒートパイプパッケージを提案、デバイス動 作を確認しその効果を実証 デバイスモデリング GaN素子の等価回路モデリングを確立し、スイッチング波形を再現、精度90%確認 ３．成果、実績、展望等 18 ３．２．実績等 特許出願 １６件、 学会発表等 ３１件 特許出願状況 出願番号 名 称 特願2009-031099 半導体装置 特願2009-047789 半導体装置及びその製造方法 特願2009-152180 電力変換装置 PCT/JP2009/005828 半導体装置 PCT/JP2009/007263 半導体装置及びその製造方法 特願2010-009783 双方向スイッチのゲート駆動装置 特願2010-009784 双方向スイッチの駆動装置 特願2010-025093 双方向スイッチの駆動装置 特願2010-045440 電界効果トランジスタ 特願2010-053874 半導体装置及びその製造方法 特願2010-070342 半導体装置及びその製造方法 特願2010-072520 双方向スイッチ素子及びそれを用いた双方向スイッチ回路 PCT/JP2010/000054 電力変換装置 PCT/JP2010/005515 半導体装置及びその製造方法 PCT/JP2010/005609 半導体装置及びその製造方法 PCT/JP2010/007252 双方向スイッチ素子及びそれを用いた双方向スイッチ回路 ３．成果、実績、展望等 19 ３．２．実績等 学会発表状況－１ 学会名 発表テーマ 電子情報通信学会研究会 Si（111）基板上AlGaN/GaN HEMT構造の多層膜構造検討による厚膜化 2009年春季第56回応用物理学関係連合講演会 Si(111)基板上AlGaN/GaN HEMT構造の厚膜化による耐圧改善 8th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics Off-Breakdown Degradation of MOCVD Grown AlGaN/GaN HEMTs on Silicon due to Deep Pits on the Morphology 2009 International Conference on Solid State Devices and Materials Effect of GaN Growth Pressure on the Device Characteristics of AlGaN/GaN HEMTs on Silicon 2009 International Conference on Solid State Devices and Materials Quasi-Normally-Off AlN/AlGaN/GaN MIS HEMTs Grown on 4 in. Silicon Substrate IEEE Electron Device Lett., Vol. 30, No. 6, pp. 587-589 Breakdown Enhancement of AlGaN/GaN HEMTs on 4-in Silicon by Improving the GaN Quality on Thick Buffer Layers 2009年秋季第70回応用物理学会学術講演会 Si(111)基板上AlGaN/GaN HEMTの耐圧に与えるピットの影響 電子情報通信学会研究会 Si（111）基板上AlGaN/GaN HEMTの高耐圧化 2009 International Electron Device Meeting GaN Monolithic Inverter IC Using Normally-off Gate Injection Transistors with Planar Isolation on Si Substrate 電気学会専門委員会研究会 ゲート注入型トランジスタを用いたワンチップGaNインバータIC Workshop on Compound Semiconductors Devices and Integrated Circuits (WOCSDICE 2010) Development of Power GaN Devices for Switching Applications International Power Electronics Conference (IPEC) – ECCE ASIA - GaN Power Switching Devices 第25回 スイッチング電源技術シンポジウム GaNワンチップインバータIC技術 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials Integration Technologies for GaN Power Transistors ３．成果、実績、展望等 20 ３．２．実績等 学会発表状況－２ 学会名 発表テーマ International Workshop on Nitride Semiconductors 2010 Recent Progress in Normally-off GaN Transistors for Switching Applications 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials Thermally Stable Isolation of AlGaN/GaN Transistors by Using Fe Ion Implantation 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials Direct Liquid Cooling Technology for Power Semiconductor Devices 32nd IEEE Compound Semiconductor IC Symposium Recent Advances in GaN Power Switching Devices 10th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT) Highly Efficient GaN Power Transistors and Integrated Circuits with High Breakdown Voltages 2010 International Electron Device Meeting Blocking-Voltage Boosting Technology for GaN Transistor by Widening Depletion Layer in Si Substrate 電子情報通信学会 電子デバイス研究専門委員会 耐圧ブースト技術によるSi基板上GaNトランジスタの高耐圧化 SPIE Photonics West GaN Power Device and its Future Prospects 電気学会 ｢グリーンITにおける化合物半導体電子デバイ ス」調査専門委員会 耐圧ブースト技術によるSi基板上GaNトランジスタの高耐圧化 2011年 電子情報通信学会 総合大会 Fe注入によるAlGaN/GaN HFETの高耐熱素子分離技術 2011年 電子情報通信学会 総合大会 フレーム直接接合型両面放熱面実装インバータパッケージ ３．成果、実績、展望等 21 ３．２．実績等 学会発表状況－３ 学会名 発表テーマ 第18回SiC及び関連ワイドギャップ半導体講演会 GIT構造を持つＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴのデバイスシミュレーションによる解析 第18回SiC及び関連ワイドギャップ半導体講演会 GaN-HEMTを逆直列接続した双方向スイッチのスイッチング損失に関する検討 第57回応用物理学関連連合講演会 GIT構造を持つＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴのデバイスシミュレーションによる解析 第57回応用物理学関連連合講演会 GaN-GIT 双方向スイッチの等価回路モデル構築 Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors 2011 Equivalent-circuit-model for GaN-GIT bi-directional switch ３．成果、実績、展望等 22 ３．３．今後の展望 ■2012年度に本開発成果技術を⼀部適⽤したGaNパワートランジスタのサンプル供給開始 ■2015年度量産開始予定 2010Fy ＧａＮパワーデバイス 初期モデル ＧａＮパワーデバイス 量産モデル 2013年3⽉ ニュースリリース 2015Fy 2020Fy 2012年度 サンプル供給開始 2015年度 量産開始予定 2015年5⽉ ニュースリリース 弊社ブースにて展⽰中 弊社ブースにて展⽰中 2030Fy ３．成果、実績、展望等 23 ３．３．今後の展望 ■開発したGaNパワートランジスタは、インバータ回路のみならず、各種電源回路の 省エネルギー化・⼩型化にも貢献 ■ 回路構成 ■ GaNパワーデバイス搭載 超⼩型電源 「ピコ電源」 弊社ブース にて展⽰中 39.5 mm トーテムポール型 ブリッジレスPFC 600V GaN Tr 400V 共振LLC型 絶縁DCDCコンバータ 600V GaN Tr AC input Noise Filter Driver Driver パワー密度 30 W/in3 Amp (1.83 W/cm3) 90 30 80 20 70 10 損失 60 0 100 200 300 出⼒電⼒ (W) 400 損失 (W) 効率 (%) 32bit CPU 120MHz Driver Arithmetic Unit ROM/RAM LLC 動作波形 40 効率 0 12bit A/D PFC 動作波形 効率曲線 100 HPWM x 6 MCU Isolator Input AC 200V Resonant current Input Current PF:0.97 Output DC 380V Output DC 12V Inverter Vo DC 12V output ３．成果、実績、展望等 ３．３．今後の展望 ■本研究開発成果の⼀部は、省エネルギー⾰新技術開発事業 「GaN DC系電⼒変換ﾃﾞﾊﾞｲｽ」で展開（ 2011年〜2013年） ＧａＮパワーデバイス を⽤いた DC-DCコンバータの電源回路 構成例 DC-DCコンバータの ⾼周波動作のインパクト 24 ３．成果、実績、展望等 25 ３．３．今後の展望 ■従来のSi、GaNと⽐較して⾼効率・ ⼤電流動作を実現 5MHz、50Aでの動作確認、⾼周波 動作によりモジュール⾯積を低減 他社POLﾓｼﾞｭｰﾙとの効率比較 Vin=12V、Vout=1.2V 100 効率 (%) 90 80 他社GaNSiより高効率 70 Panasonic GaN(Fsw=1MHz) GaN報告値(Fsw=1MHz) GaN報告値(Fsw=1.2MHz) Si-MOS(Fsw=1MHz) 60 50 0 10 20 30 Iout (A) 40 50 ３．成果、実績、展望等 26 ３．３．今後の展望 ■本研究開発成果の⼀部は、戦略的省エネルギー技術⾰新プログラム「GaN双⽅向 電⼒変換器の開発」（2014年9⽉〜）にも展開、さらなる省エネルギー効果の 波及が期待される 従来のインバータ構成図 本提案で検討するマトリクスコンバータ 電流 ＧａＮ双方向 スイッチ ● 交流(AC)→直流(DC)→交流(AC)で、 損失が⼤きい ● ⼤容量電解コンデンサが寿命を決める ● 交流(AC)→交流(AC)直接変換 低損失 ● 電解コンデンサレス ⼩型・超寿命 ３．成果、実績、展望等 27 ３．４．原油換算省エネ効果 2020年時点： 18,080kL/年(累計： 138,856kL ) 2030年時点： 30,025kL/年(累計： 300,652kL ) 年間原油削減量 予測 35000 *原油削減量(kL/年） = 消費エネルギーkWh/年 X 8.81(MJ/kWh) / 38.2(MJ/L) 原油削減量(kL/年) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 2010 2015 2020 年 2025 2030
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