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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。