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 : yagi@powdec.co.jp, info@powdec.co.jp 【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。