GaNパワーデバイスのインバータ応用 GaN トランジスタ...

GaNパワーデバイスのインバータ応用

パナソニック株式会社

セミコンダクター社半導体デバイス研究センター

上田哲三

2010年6月24日第8回窒化物半導体応用研究会GaN系電子デバイスの現状とその可能性

2010.6.24 第8回窒化物半導体応用研究会

GaNインバータによる省エネルギー化

GaNパワーデバイス技術

低コストSi基板上GaN結晶成長

ノーマリオフ化： Gate Injection Transistor (GIT)

GaNワンチップインバータIC集積化： Feイオン注入による高耐圧素子分離技術

GaNインバータICの高効率動作

まとめ

講演内容


インバータによる民生機器の省エネルギー化

家庭での電力消費内訳家電製品のインバータ化率

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

■ 環境効果

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）

出典：エネルギー白書

エアコン25.2%

冷蔵庫16.1%

照明用16.1%

テレビ9.9%

その他機器20.2%

食器洗浄乾燥機

1.6%衣類

乾燥機2.8%

温水洗浄便座3.9%

電気カーペット4.3%

エアコン冷蔵庫

6000万台 8000万台

23%インバータ

5%インバータ

ノンインバータ

ノンインバータ


インバータ搭載機器とノンインバータ機種の消費電力比較

年間消費電力（１台当り）

冷蔵庫エアコン

3000kWh/年 1000kWh/年

ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ

ｲﾝﾊﾞｰﾀ

年間消費電力（１台当り）

ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ

ｲﾝﾊﾞｰﾀ


AC DC AC

Motor

TransistorGate Driver

Controller

Fast Recovery Diode

U-Phase

V-Phase

W-Phase

MotorCurrent

U-Phase

V-Phase

W-Phase

Inverter

■ インバータは6個のトランジスタから構成される

■ トランジスタのスイッチングによりモータを駆動

Motor

インバータ：省エネルギー化のコア技術


ﾓｰﾀ

ﾓｰﾀ

IRIF

IRIF

GaNトランジスタによるインバータの高効率化

電圧

電流

IR

電圧

電流

IF

VF VFIGBTオフセット

ダイオードオフセット

損失 = VF・IF + VF・IR

損失 = Ron・IF2 + Ron・IR2 → 0

Si系インバータ

GaNインバータ

IGBT ダイオードFRD

GaNトランジスタ

IF：駆動電流、 IR：還流電流

FRD：Fast Recovery Diode （高速リカバリダイオード）

■ GaNトランジスタでは電圧オフセットがなくオン抵抗が小さいため、損失を大幅に低減可能

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON


GaNインバータによる損失低減予測

■ GaNインバータにより従来トランジスタと比較し大幅な損失低減が可能

0

20

40

60

80

100

120

IGBT GaN双方向SW

電力

損失

の割

合(%

)ダイオード損失

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失

オン時導通損失

従来Si-IGBT GaNトランジスタ

還流時導通損失


GaNインバータ実現に向けてのデバイス技術課題

低コスト化

現状のSiパワーデバイスを置き換えるためには低コスト化が必要

GaNデバイスでは基板コストが大きな割合を占める

ノーマリオフ動作の実現AlGaN/GaNヘテロ接合においては分極のためアンドープでも

高いシートキャリア(～1x1013cm-2)が発生

ノーマリオフと大電流の両立が困難

ワンチップ集積化GaNトランジスタが横型かつ小面積であるという特長を活かすため

には集積化が望まれる

大口径Si基板上への結晶成長

新動作原理ノーマリオフデバイス（GIT）

新たな高耐圧素子分離技術


GaNの結晶成長に用いられる基板

■ ＧａＮでは異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長を行う必要がある

■ 結晶性とコストにトレードオフが存在

■ Si基板はコスト・放熱の点で有望だが、これまではGaNの結晶性が課題

３．８４

４．７６

(２．７４)

３．０７

３．１９

格子定数

(A)

３．５９

７．７０

４．２０

５．４５

熱膨張係数

(10-6/K)

1.5１０9 －１０１０1Ｓｉ

0.4１０910サファイア

4.5１０7－１０8100ＳｉＣ

2.2１０５－１０６1600ＧａＮ

熱伝導率

(Wcm/K)

ＧａＮの

転位密度

(cm-2)

基板価格比

(Si基板を1)基板材料


Si基板上へのAlGaN/GaN構造MOCVD成長

Si(111)基板

AlNAlGaN

GaN

超格子バッファ層

AlN

GaN

圧縮歪

格子定数: Si>GaN>AlN熱膨張係数: Si<GaN<AlN

応力緩和

MOCVD エピタキシャル構造

■ AlGaN/AlN 初期成長層

■ GaN/AlN多層膜による応力緩和

■ ６インチ全面にて鏡面・クラックフリー

■ 最大移動度 1653 cm2/Vsec

6インチSi基板上へのMOCVD成長


AlGaN

AlGaNscbAlGaNcbp

dqNEVEVεε

φφ0

−Δ−=−Δ−=

)()()( 11 GaNPNGaAlPNGaAlP SPxxSPxxPE −+= −−σ

[ ]cAlGaNAlGaNs EEeedeN Fb Δ−+−+= φεεσ )/(/ 2

0

O.Ambacher et al, J.A.P. vol.85, no.6, p.3222, 1999

AlGaN薄層化、Al組成の低減

→ ドレイン電流の減少

オン抵抗増加

MISデバイス、フッ素添加

→ 信頼性の確保

Ｆの安定性確認が必要

従来のノーマリオフ化技術

PPE: Piezoelectric polarization

PSP: Spontaneous polarization

ΔECEF

EC

-σAlGaN

+σAlGaN

-σGaN

+σGaN

NS(GaN)

2DEG

Al0.25Ga0.75N GaN

-5.1x10-6 Ccm-2

5.1x10-6 Ccm-2

-2.9x10-6 Ccm-2

>1x1013 cm-2

Schottky metal

0-

+ 2.9x10-6 Ccm-2

PSP(AlGaN)

PPE(AlGaN)

PSP(GaN)

σ : Fixed charge

Band diagram

Charge distribution

従来のノーマリオフ型AlGaN/GaN HFET


Gate

p-AlGaNi-AlGaN

i-GaN

Source DrainGate Injection Transistor (GIT)

-4-3-2-101234

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

D epth [um]

Ene

rgy

[eV

]

p-AlGaNi-AlGaN

i-GaNGate

Ohmic

EV

EF

EC

μh << μe

バンドダイヤグラム

断面構造

■ノーマリオフ化

ｐ型ゲートによりチャネルの

ポテンシャル障壁を増加

■低オン抵抗化

ｐ型ゲートからチャネルへ

ホール注入

伝導度変調によりオン抵抗低減

新規ノーマリオフ型GaNトランジスタ - GIT -

++

ポテンシャル障壁増によるキャリア濃度減

ホール注入、伝導度変調


p-AlGaN

i-AlGaN

i-GaN

ゲート電極ソース電極

ドレイン電極

− − −−

電流が流れない

− − −−−

オフ

p-AlGaN

i-AlGaN

i-GaN

− − − − − − − − − −

ゲート電極ソース電極

ドレイン電極

ﾎｰﾙの移動速度 << 電子の移動速度

− − −

電流が大量に流れる

−− −− −− −− −

++

+ + +−

オン

GITの動作原理

Vg = 0V

Ｐ型ゲートがゲート下チャネルを空乏化

↓ドレイン電流が流れない

Vg > Vf of GaN-PN junction

ホール注入↓

電子発生↓

ドレイン電流増大(conductivity modulation)


0

50

100

150

200

250

300

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6Vgs (V)

Ids

(mA

/mm

)

0

20

40

60

80

100

120

gm (m

S/m

m)

Ids (GIT)

ホール注入により2つめのgmピークが発生

gm (GIT)

Lg=2µm, Lgd=7.5µm

gm (MESFET)

Ids (MESFET)

GITとMESFETのIds-Vgs特性比較

ノーマリオフ動作


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V

400

300

0

100

200

0 2 4 6 8 10

Drain-Source Voltage Vds (V)

Dra

in C

urre

nt Id

s (m

A/m

m)

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V

400

300

0

100

200

0 2 4 6 8 10


Dra

in C

urre

nt Id

s (m

A/m

m)

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V

・しきい値電圧 Vp : +1.0V・最大ドレイン電流 Imax : 370mA/mm・オン抵抗 RonA : 2.0mΩcm2

・オフ耐圧 : 700V

Si基板上GITのDC特性

0.0E+00

2.0E-05

4.0E-05

6.0E-05

8.0E-05

1.0E-04

0 200 400 600 800Vds [V]

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800


Dra

in C

urre

nt Id

s (m

A/m

m) Vgs=0V

0.0E+00

2.0E-05

4.0E-05

6.0E-05

8.0E-05

1.0E-04

0 200 400 600 800Vds [V]

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800


Dra

in C

urre

nt Id

s (m

A/m

m) Vgs=0V


0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6

Vgs (V)

tr, td

(off)

, tf (

nsec

) trtd(off)tf

tr

td(off)

tf

Switching Characteristics - Results -

tr, td, tf vs Vgs

GITのスィッチング特性

VgsVds

Ids

10%90%

10%

90%

td(off) tftd(on) tr

VgsVds

Ids

10%90%

10%

90%

td(off) tftd(on) tr

Vdd=100V

RL=10Ω

50Ω

Id Monitor

Vds Monitor

Vgs Monitor

Vdd=100V

RL=10Ω

50Ω

Id Monitor

Vds Monitor

Vgs Monitor

測定回路

tｒ、ｔｄ、ｔｆの定義


GITの信頼性評価結果

オフリーク電流の時間変化しきい値電圧の時間変化

■ 125℃、Vds=400Vでの高温高電圧信頼性評価において、1000時間以上

の安定動作を確認

Tj=125oCVds=400V

0 200 400 600 800 1000

Time (hrs)

0

2

3

Vth

(V)

1

Tj=125oCVds=400V

0 200 400 600 800 1000

Time (hrs)

0

2

3

Vth

(V)

1

Tj=125oCVds=400V

10-5

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

Ids@

Vgs

=0V

(A/m

m)

0 200 400 600 800 1000

Time (hrs)

Tj=125oCVds=400V

10-5

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

Ids@

Vgs

=0V

(A/m

m)

0 200 400 600 800 1000

Time (hrs)


GaN-GIT

MUVW

GaNワンチップインバータIC

■ 横型かつ小面積で高抵抗下地GaN層上にGaNトランジスタは形成されており、素子間分離耐圧を十分高くすることでワンチップ集積化が可能

ワイヤリング箇所の低減→寄生インダクタンスの低減

低コスト化、高速動作

小型化 →実装面積低減

集積化の効果

素子分離層

Drain

Source

Source

Gate Gate Gate Gate

Drain

Source

Sour

ce

Gate Gate Gate Gate

i-GaN

Si基板Buffer Layer

i-AlGaN

p-AlGaN

GaN-GITGaN-GIT

分離領域

素子分離層

Drain

Source

Source

Gate Gate Gate Gate

Drain

Source

Sour

ce

Gate Gate Gate Gate

i-GaN

Si基板Buffer Layer

i-AlGaN

p-AlGaN

GaN-GITGaN-GIT

分離領域


104

105

106

107

108

109

1010

800 1000 1200

She

et R

esis

tanc

e (O

hm/s

quar

e)

Withoutannealing

Annealing Temperature (oC)

Fe

C

B

0 200 400 600 800 1000

Voltage (V)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0

B FeCur

rent

(mA

)

Voltage (V)

without annealingFeB

after 1200C annealingFeB

Feイオン注入による高耐圧素子分離

熱処理による分離領域での耐圧特性変化分離領域シート抵抗の熱処理温度依存性

■ Feイオン注入により、1200℃以上の熱処理後でも900V以上の高い素子間耐圧を実現


GaN-GITの動作モード

Vgs=0V:逆導通モード

Vgs=5V:FETモード

■ GaN-GITでは逆方向特性において、ゲート電圧制御によりオフセット電圧のないFETモード(Vgs=5V)とダイオードのように動作する逆導通モード(Vgs=0V)を実現可能

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Vds (V)

()

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V

Vgs=0V

Vgs=5V

step=+1V

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Vds (V)

()

Vgs=5V

4V

3V

2V

1V

Vgs=0V

Vgs=5V

step=+1V

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)順方向特性

逆方向特性

GITの電流-電圧特性


インバータにおけるGaN-GITゲート電圧制御

■ 動作モードの制御によりダイオードフリーでの低損失動作を実現

還流電流

IGBTインバータ

上側素子Q1

下側素子Q2

ＯＮ

ＯＦＦ

ＯＮ

ＯＦＦ

Q1

Q2

還流電流はダイオードのみに通電

駆動電流

Q1

Q2FRD

ON

OFF

OFF

ON

GaNインバータ

上側素子Q1

下側素子Q2 ＯＦＦ

ＯＮ

ＯＦＦ

ＯＮ

駆動電流

Q1

Q2

ON

OFF

Q1

Q2

OFF

ON

還流電流

D

S

D

S

D

S

逆導通モード

逆導通モード

FETモード


E-07 5.E-07 5.E-07 6.E-07 6.E--100 0 +100 +200

Time (ns)

GIT

Si-FRD

Cur

rent

(A)

6

4

2

0

-2

-4

-6

GITダイオードのリカバリー特性

■ GaN-GITの逆導通モードによるダイオードで良好なリカバリー特性を確認


MU V W

電源ライン

GNDライン

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

1mm

電源ライン

GNDライン

モータ

GaN-GIT

素子分離領域

U V W

ゲートQ1 Q3 Q5

Q2 Q4 Q6

作製したGaNワンチップインバータIC


GaNワンチップインバータの特性

85

90

95

5 10 15 20 25

出力 (W)効

率(%

)

U

V

W

500mA/div 20ms/div

インバータ出力動作波形効率の出力依存性

GaNインバータIC

IGBT

■ GaNインバータにてIGBTインバータと比較し変換損失を42％低減

変換損失4.8%

変換損失8.3%


まとめ

GaNパワーデバイスのインバータ応用

GaNパワーデバイス技術

低コスト６インチSi基板上へのMOCVD結晶成長

伝導度変調を用いたノーマリオフGate Injection Transistor (GIT)Vp=+1.0V RonA=2.0mΩcm2 BVds=700V高温高電圧信頼性試験での1000時間超安定動作確認

GaNワンチップインバータICFeイオン注入を用い高耐圧素子分離実現

高効率インバータ動作を確認

IGBTインバータと比較し損失42%低減

謝辞：本研究の一部は新エネルギー・産業技術総合開発機構からの委託研究開発「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」の助成を受けて行われた

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