インターナショナル・ビアカップ2017 受賞ビール …...インターナショナル・ビアカップ2017 受賞ビール一覧 The International Beer Cup 2017 Winners
International Rectifier Co., Ltd...1 “GaNデバイスの技術と応用” International Rectifier...
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“GaNデバイスの技術と応用”
International Rectifier Co., LtdTim McDonald
インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン株式会社
藤原 エミリオ
2011年3月10日
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概要
• なぜ 今GaNデバイスなのか?
• 「GaNベース・パワー・デバイス」とは?
• GaNベース・パワー・デバイスの商品化の障壁はなにか?
• IRの GaNpowIRTMテクノロジは、どのようにその障壁を乗り越えたのか?
• IRのGaNベース・パワー・デバイスのパフォーマンス
• GaNpowIRTM製品のリリース : iP2010
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パワー・デバイスによるパワー・エレクトロニクスの発展
スイッチング電源の製品化を加速
高集積化により高密度かつ、
高効率の電力変換
4
飛躍的にパワー・デバイスのFOMを改善
Si, SiCとGaNのRon 比較
臨界電界 : Si = 20V/μm, GaN = 300V/μm
測定値
Ref: N. Ikeda et.al. ISPSD 2008 p.289
4H-SiC Limit
5
パワーデバイス用の材料
Si, SiC および GaNの諸特性
* AlGaN / GaN 2DEG ( H. Kawarada, ISPSD 2004 Short Course p.32)
• ワイドバンドギャップ材料 高温動作• 絶縁破壊電界 高BV• 電子移動度 (2DEG) 低オン抵抗• 飽和電子速度 高速Velocity
Higher speed
1.54.91.5熱伝導率(W/cm K)4.E+072.E+071.E+07飽和電子速度(cm/s)
~1800 *~500~500電子移動度(cm2/Vs)32.20.3Ec(Mv/Cm)
3.431.1Eg(eV)GaN4H-SiCSi特性
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GaN商品化
GaNデバイスの商品化への条件
• 性能対コスト : Epi + 基板 < $3/cm2
• 漏れ電流 < 1µA/mm, Ion/Ioff > 107
• 2DEG移動度 > 1800cm2/Vs• クラック・フリーepi とアクティブ領域の欠陥フリー
• 歩留まり >80% (10mm2)
• Ron, RQ, Isat, Vp, Ileak が安定していること
• 大口径epi の反り < 50µm • 大量生産 ( > 10Kウエハー/週 )Siウエハー工場適合
• 供給: >106年間 {150mm ウエハー相当(マーケットの10%)}
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GaNpowIRTM : 紹介
• 製品化可能なパワー・デバイスのプラットフォーム
• GaN-on-Si ヘテロ・エピタキシャル膜がベース
• 低コスト化に効果の高い150mmウエハー
• デバイスの製造工程はCMOSと互換性あり
• 業界標準の大量生産のプロセス
• 業界の標準的な品質システム
• 新素材特有の信頼性評価を実施
• 業界の標準的な信頼性試験を適用
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HEMT-FETの構造
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Measureda
Calculated
2DEG
Den
sity
(1013
/cm
2 )
X (Al fraction)100 200 300 400
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5 GaN=1.0 eV
Schottky/AlxGa(1-x)N/GaN
x=.35 x=.25 x=.15
2DEG
Den
sity
(1013
/cm
2 )
AlGaN Thickness (A)a J. Van Hove, SVTA & J. Redwing, ATMI
9
GaN Epi成長用基板の選定
From R. Korbutowicz, et al. Crystal Res. Technol 40, No 4/5, 503-508 (2005)
Man
age
Stra
in
Manage Defects
10
GaN Epi成長用基板の選定
シリコンが生産性とコスト面で他の材料より優れている
<$0.5/c㎡>$20/c㎡>$5/c㎡コスト
○(6”→>12”)△(4”→6”)△(6”→8”)基板サイズ
○(既存の生産ライン)△△量産
○ 良質な結晶△ 基板の欠陥△材料の品質
△○×熱伝導
×△×結晶方位
×△○熱膨張係数
SiSiCサファイア
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IR社のGaNヘテロ・エピタキシャル
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IR社の大型チップの伝達特性
Ion/Ioff > 1012
Gmax > 300 S
Ig < 100 nA
Wg=850mm, Lg=0.3µm
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オン抵抗が-40℃から125℃で2倍に変化
デバイスの特性 (続き)
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低電圧HEMTのオフ特性
Lg=0.3µm, Wg=850mm
Idrain(A/mm) 0.00E+001.00E-082.00E-083.00E-084.00E-085.00E-086.00E-087.00E-088.00E-089.00E-081.00E-07
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Vg=-7V Vg=-20V
Vdrain (V)
Idra
in(A
/mm
)
15
0.0E+00
2.0E-07
4.0E-07
6.0E-07
8.0E-07
1.0E-06
1.2E-06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
200
400
600
800
1000
5 7 9 11 13 15 17 19
Lgd(um)
Brea
kdow
n Vo
ltage
(V)
高電圧HEMTのオフ特性
Ion/Ioff(600 V) > 106
Vg=-10V , I BV = 0.1 uA / mm
( Wg=100mm, Lg=2µm)
16
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20 25
I
D
(A)
VDS (V)
Vg=0V to -3.5V, step size=0.5V
600Vデバイスの出力特性
Wg=100mm, Lg=2µmId
(A
)Ion/Ioff(600V) > 106
Vceon*Ets (Si/GaN) > 4
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スイッチング波形比較 : GaN HV vs. Super Junction
dIF/dt = 235A/µsdV/dt = 6.8V/nsVR = 300VIF = 6A
EOFF = 43µJ
Time : 20ns/div.ID : 1A/div.VD : 50V/div.
TRR = 18.5nsIREC = 4.8A
-dIF/dt = 300A/µsdV/dt = 14V/nsVR = 300V
TRR : 10ns/div.IREC : 2A/div.VR : 50V/div.
TRR = 270nsIREC = 52A
-dIF/dt = 400A/µsdV/dt = 30V/nsVR = 300V
TRR : 100ns/div.IREC : 20A/div.VR : 50V/div.
dIF/dt = 400A/µsdV/dt = 1.1V/nsVR = 300VIF = 6A
EOFF = 67.5µJ
Time : 50ns/div.ID : 1A/div.VD : 50V/div.
GaN HV Super Junction
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スイッチング波形比較 : GaN HV vs. IGBT(NPT)
dIF/dt = 235A/µsdV/dt = 6.8V/nsVR = 300VIF = 6A
EOFF = 43µJ
Time : 20ns/div.ID : 1A/div.VD : 50V/div.
TRR = 18.5nsIREC = 4.8A
-dIF/dt = 300A/µsdV/dt = 14V/nsVR = 300V
TRR : 10ns/div.IREC : 2A/div.VR : 50V/div.
TRR = 70nsIREC = 8.4A
-dIF/dt = 400A/µsdV/dt = 8.3V/nsVR = 300V
TRR : 50ns/div.IREC : 4A/div.VR : 50V/div.
dIF/dt = 400A/µsdV/dt = 1.1V/nsVR = 300VIF = 6A
EOFF = 135µJ
Time : 100ns/div.ID : 1A/div.VD : 50V/div.
GaN HV IGBT(NPT)
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600 V スイッチング波形比較
スイッチ :GaN Eoff (Off スイッチングロス) はIGBTより72%少ない
Rectifiers:GaN整流素子はIGBTcopackのボディダイオードのQrrに比べて1/20、Super Junctionに比べて1/200.
20
1
3
5
7
9
11
13
15
17
0 100 200 300 350 400
Epiの改善により350V以上でのダイナミックRds(on) の改善
600V ダイナミック Rds(on) の改善
スト
レス
後/ ス
トレ
ス前
Rds
(on)
比
Voltage
2007
May 2010August 2010
21IR Company Confidential 21
HVカスコードのGaNスイッチ
特徴:• ノーマリ・オフ動作
• シリコン比でFOMが10倍
Siスイッチと比較:• 低リカバリ損失
• 低オン抵抗と低Qg(パッケージの小型化)
• 低EMI
4
D
S
4
G
22
FET Vp / Rds(on) / Qg / FOM分布
23
FET Igss / Idss分布
2424
高温逆バイアス試験結果(HTRB)
• 152個のデバイスを平均4025時間試験
• 612Kデバイス・アワーで不良ゼロ
• パラメータの安定性
0302434LGALot4
0352838LGALot3
0420040LGALot2
0436840LGALot1
不良数時間サンプル数パッケージウエハー・ロット
2525
Rds(on)安定性 : 高温逆バイアス試験(HTRB)
1.500
1.600
1.700
1.800
1.900
2.000
2.100
2.200
2.300
2.400
2.500
016
833
650
467
284
010
0811
7613
4415
1216
8018
4820
1621
8423
5225
2026
8828
5630
2431
9233
6035
2836
9642
0043
68
R DSO
N in
mO
hms
Test Hours
HTRB Vds= 14.5V, Vgs= -7V, T= 150CLot 1, RDSON @ 5A
2626
Igss安定性 : 高温逆バイアス試験(HTRB)
10.0E-920.0E-930.0E-940.0E-950.0E-960.0E-970.0E-980.0E-990.0E-9
100.0E-90
168
336
504
672
840
1008
1176
1344
1512
1680
1848
2184
2352
2520
2688
2856
3024
3360
3528
3696
3864
4200
4368
IGSS
in A
mps
Test Hours
HTRB Vds= 14.5V, Vgs= -7V, T= 150C Lot 1 IGSS @ -7.5V VGSS
27
Idss安定性 : 高温逆バイアス試験(HTRB)
28
高温ゲートバイアス試験結果(HTGB)
0302435LGALot50302420CDIP28Lot40352840LGALot30336820CDIP28Lot30436840LGALot20436820CDIP28Lot20436840LGALot10436820CDIP28Lot1
不良数時間サンプル数パッケージウエハー・ロット
Vgs=-8.5V, T=150℃
> 7,000,000 Device Hours Reliability, to > 9000 hrs/device
2929
Vp安定性 : 高温ゲートバイアス試験(HTGB)
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.5000
168
336
504
672
840
1008
1176
1344
1512
1680
1848
2016
2184
2352
2520
2688
2856
3024
3192
3360
3528
3696
3864
4200
4368
VP in
Vol
ts
Test Hours
HTGB Vgs= -8.5V, 150CLot 1 VP @ 15 mA
30
10.0E-9
20.0E-9
30.0E-9
40.0E-9
50.0E-9
60.0E-9
70.0E-9
0 24 168 336 504 672 840 1008 1176 1344 1512 1680 1848 2016 2184 2352 2520 2688 2856 3024
IGSS
( Vg
s= -7
.5V)
in A
mps
Test Hours
HTGB at 150C and Vgs=-50V
Igss安定性@ -50V : 高温ゲートバイアス試験(HTGB)
31
逆ピエゾ効果の問題がない
TEM画像 : • HTRB ( Vd=26V, Vg=-14V at 150C ) > 3000hrs•同Vd= 34V, Vg=-22V at 150C > 600hrs•同HTGB of -50V for > 3000hrs
3232
MCMソリューションの例
低電圧(30V)ハーフ・ブリッジ回路 BT基板
33
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
0 250 500 1000
RD
SON
in m
Ohm
s
Test Hours
Temp Cycling -40C-125C Lot L8 RDSON @ 5A
33
温度サイクル
サイクル回数
-40℃~125℃
34
3131
iP2010 対 業界最高のDrMOSデバイス
83%
84%
85%
86%
87%
88%
89%
90%
91%
92%
93%
94%
0 5 10 15 20 25 30
Efficiency
Current (A)
Vin=12V, Vout=1.2V, fsw=600kHz, L=200nH (0.35m, Airflow=200LFM
iP2010
Competitor A
Competitor B4.5%- 7%効率改善
93%ピーク効率
省エネのために最高の効率と熱的改善
35
iP2010/2011によるシステムの小型化
74%
76%
78%
80%
82%
84%
86%
88%
90%
92%
0 5 10 15 20 25 30
Efficiency
Current (A)
Vin=12V, Vout=1.2V, fsw=1.2MHz
iP2011iP2010
• ピーク効率 >90% @1.2MHz• 全負荷効率 >88%• Siスイッチと比べて周波数を3倍に
• 基板面積を55~65%シュリンク
36
GaNパワー・ステージ・シリーズの特徴
ピン互換のパワー・ステージ・シリーズ
• iP2010: 30A, 3MHz max• iP2011: 20A, 5MHz max
特徴
• 業界最高効率のパワー・ステージ
• 5MHz動作
• 業界標準 TTL レベルの PWM 入力
• シングルまたはマルチフェーズのアナログ
またはデジタル・パワー
• 入力電圧: 7V ~ 13.2V
• 出力電圧: 0.6V ~ 5.5V
• 高速 PowIRtuneTM ゲート・ドライブ IC
• 小型, ワイヤレス LGA パッケージ
(7.7×6.5×1.7mm)
3737
4フェーズで > 94%可能(10A~100A)
700kHz Vin = 12V, Vout = 1.2V
大電流低電圧POL(VRM)
83%
85%
87%
89%
91%
93%
95%
5 10 15 20 25 30
Load Current (A)
Efficien
cy
標準的Siソリューション
最高水準Siソリューション
GaN Gen 1.1ソリューション
GaN Gen 2ソリューション
38
75%
77%
79%
81%
83%
85%
87%
89%
91%
93%
95%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Iout (A)
Effic
ienc
y
5MHz 70nH 2.2mOhm4MHz 70nH 2.2mOhm3MHz 70nH 2.2mOhm2MHz 150nH 0.25mOhm1MHz 150nH 0.25mOhm
12Vin/1.8Vout POL(ドライバ、スイッチ、インダクタ、PCB損失を含む)
高周波バック・コンバータの効率
実測値
39
低電圧GaNのFOMの予測
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
2008 2009 2010 2011 2012 2013 20142009
Next Si
GaNGen 1.1
GaNGen 2.0
GaNGen 2.1
R X
Qg
Figu
re o
f Mer
it (m
Ohm
-nC
)
4040
まとめ
• GaNテクノロジーによるデバイスFOMの改善を立証
• GaNpowIRTMプラットフォームによるデバイスとソリューションの安定性を確認
• GaN/Siスイッチング・パワー・トランジスタ製品、iP2010を製品化
• 応用回路にてパフォーマンス改善を立証
• IRのGaNpowIRTM プラットフォームはGaN材料による製品化の大きな障壁になっていたコスト問題を乗り切り、幅広い電力変換アプリケーションに対応できる見込み(20~1200V)
• 今後の製品化予定: 600V 2011年末