2014年 第75回応用物理学会秋季学術講演会 講演番号 19p-PB2-14 サファイア基板上 （分極超接合） スイッチング特性 サファイア基板上 GaN PSJ（ 分極超接合）トランジスタの トランジスタの600 Vスイッチング スイッチング特性 600 V Switching Characteristics of GaN Polarization Super Junction (PSJ) Transistor on Sapphire ○八木 パウデック 修一, 平田 祥子, 中村 文彦, 松本 壮太, 中村 嘉孝, 河合 弘治 ○Shuichi. POWDEC K.K., Yagi, S. Hirata , F. Nakamura, S. Matsumoto, H. Nakamura, H. Kawai E-mail : [email protected], [email protected] 【3. PSJ ( Polarization Super-junction ) とは】 とは】 【1. 背景】 パワートランジスタ実用化 実用化への への課題 背景】 高耐圧GaNパワートランジスタ 実用化 への 課題 GaN パワートランジスタは、 電流コラプス（スイッチング時の抵抗 増大）が大きな課題となっている。 現行の技術である、FP（FieldPlate）と導電性 Si 基板との組み合 わせでは、コラプス抑制が不十分で あり、かつ、低耐圧化をもたらしてい る。 G S FP Si super-junction との比較 との比較 D AlGaN GaN buffer GaN A AlGaN ピーク電界強度 ピーク電界強度 ＝ コラプスを コラプスを規定 Field (E ) コラプスの コラプスの完全抑制と 完全抑制と高耐圧化を 高耐圧化を両立させる 両立させる技術 させる技術の 技術の提案と 提案と 実デバイスでの 構造を デバイスでの検証 での検証 ⇒ PSJ構造 構造を提案 【4. トランジスタの 特性】 トランジスタの構成と 構成と DC特性 特性】 10 -6 10 -7 10 -8 0 素子構造 【5. スイッチング特性 スイッチング特性】 特性】 Vgs Off Time : 10 s On Time : 1 µs Wg : 50 mm Lpsj : 10 µm 8 0V 6 4 -2 V Tr; Tf の定義（ ） 定義（10 %- 90 %） Drain Current [A] Tf 10 100 ℃ 25 ℃ -10 10 -12 0 不純物ドーピング 厚み(1unit) ～ µm ～10 nm 10 -2 V -4 V 0 0 2 4 6 8 Drain Voltage [V] 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 -10 10 -12 Id-Vd特性 特性 -8 -4 0 Gate Voltage [V] 4 伝達特性 250℃ ℃ での スイッチング特性 スイッチング特性 Vg:+3V Vg:+3V Id : 2 A Tr : 34 ns Tf : 56 ns 1 µs Vg:-8 V Vd = 10V 10 RL : 100 Ω コラプスなし コラプスなし Vd Tr : 66 ns Tf : 28 ns Id : 2 A 1 µs Vg:-8 V コラプスなし コラプスなし -4 V 2 4 6 8 Drain Voltage [V] 10 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 Vg : -10 V Wg : 50 mm Lpsj :10 µm Vdd = 600 V スイッチング波形 スイッチング波形 100 80 60 赤 : Lpsj = 10 µm 青 : Lpsj = 15 µm Lpsj = 15 µm Tf Lpsj = 10 µm 40 20 Tr Lpsj = 10 µm Lpsj = 15 µm 0 200 400 600 8001000 Drain Voltage [V] Off 特性 250℃ ℃ スイッチング波形 スイッチング波形 100 0 100 300 500 Vdd [V] Vdd : 600 V Lpsj : 10 µm Tr : 34 ns Tf : 56 ns スイッチングスピードの 電圧依存性 スイッチングスピードのVdd電圧依存性 破壊電圧はPSJ長さ（LPSJ)に比例し、 LPSJ = 40 µmで 6 kV が得られた。 600 V スイッチングに於いて、電流コラプスは（実験精度内で）検出されなかった。 600 V スイッチングに於いて、 Tr =～ 34 ns, Tf =～ 56 ns であった。 250℃ の温度におけるスイッチングで、コラプスフリーを確認した。 【8. 結論】 結論】 ① GaN/Si エピ技術と FP素子技術では両立が困難であった高耐圧性とコラプスフ リー特性とを、成熟したGaN/sapphireエピ技術と PSJ素子技術により実現した。 ② 有効な放熱パッケージング技術を前提として、本システムの電圧振幅 600 V 以上 の電力機器への適用可能性を示した。 Vdd : 200 V Tf (RL： ：300Ω Ω) 80 60 40 Tr (RL： ：100Ω Ω) 20 0 0 700 【6. 実験のまとめ 実験のまとめ】 のまとめ】 ① ② ③ ④ キャリア起源 分極効果 0.1 50 100 150 200 Drain Voltage [V] 2 0 0 Id Tr -8 Vd Vg : +2 V 縦型・内部 p/n pillar stack 0 RL : 300 Ω 10 Si-SJ 横型・表面 GaN/AlGaN/AlGaN 0V 600 V スイッチング特性 スイッチング特性 Id-Vd特性 特性 10 % 175 ℃ 250 ℃ -6 10 スイッチング評価 スイッチング評価に 評価に 用いた素子特性例 いた素子特性例 スイッチング評価回路図 スイッチング評価回路図 90 % -4 10 10 GaN-PSJ Vg : +2 V ドレインリーク電流 ドレインリーク電流の 電流の温度依存性 Drain Carrent [A] RL : 100 Ω, 300 Ω 7 Vg = -15 V Off 耐圧の 長 依存性 耐圧のPSJ長 Vdd -8 V 1 2 3 4 5 6 Drain Voltage [ kV ] 一定電界 0.2 -2 10 Time [ns] -5 sapphire 1 µs +3 V 面積＝印加電圧 Drain Current [A/mm] GaN LT-GaN 10 30 µm 20 µm Vdd:600V D GaN AlGaN -4 40 µm Lpsj:10 µm Time [ns] p-GaN 10 Drain Current [A/mm] Drain Current [ A/mm ] S 構成 チャネル方向 チャネル方向の 方向の電界分布 -3 D HV 一定電界 破壊電圧6 破壊電圧 kV LPSJ G C evacuation GaN acceptor hole donor electron HV GaN AlGaN 【2. 目的】 目的】 G Field (E) evacuation n+ S with FP D 逆バイアス印加 バイアス印加 逆バイアス印加 バイアス印加 （キャリア排出 キャリア排出による 排出による全長高抵抗化 による全長高抵抗化） 全長高抵抗化） A 10 G Drain Current [A/mm] without FP C GaN Vdd:200V Field (E) GaN/Si＝ ＝耐圧を 耐圧を規定 分極電荷 2次元正孔 次元正孔ガス 次元正孔ガス(2DHG) ガス 分極電荷 2 二次元電子ガス 二次元電子ガス(2DEG) ガス n+ S Conductive-Si 新規の道具立てを必要としている。 PSJ トランジスタを トランジスタを サファイア基板上 サファイア基板上に 基板上に形成 Si super-junction MOS (one pillar) GaN/AlGaN/GaN Polarization Super-junction ( PSJ ) HV Tf (RL： ：100Ω Ω) Tr (RL： ：300Ω Ω) RL : 100 Ω Tr : 66 ns Tf : 28 ns RL : 300 Ω Tr : 26 ns Tf : 85 ns 100 200 300 Temperature [℃ ℃] スイッチングスピードの スイッチングスピードの温度依存性 【7. 課題】 課題】 サファイア基板 基板を いることの放熱問題 放熱問題・・対策 サファイア 基板 を用いることの 放熱問題 候補技術 ① ② ③ ④ サファイア基板剥離 サファイア基板の極薄化 フリップ・チップ方式 基板レス・ビルド方式 材料 比熱伝導度(W/mK) 比熱伝導度 Si ～140 GaN ～140 sapphire ～40 謝辞： 平成25年度 謝辞：本研究は 本研究はNEDO平成 平成 年度イノベーション 年度イノベーション実用化 イノベーション実用化ベンチャー 実用化ベンチャー支援 ベンチャー支援 事業を 事業を受けたものである。
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