2016 Fiscal Year Research-status Report
高周波大電力変換デバイスの実現に向けた新規ワイドバンドギャップ半導体の研究
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15K05990
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| Research Institution | Saga University |
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Principal Investigator |
大石 敏之 佐賀大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40393491)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ワイドバンドギャップ半導体 / レクテナ / 高周波大電力 / ダイヤモンド / 酸化ガリウム / デバイスモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レクテナ回路作製に向け，ダイヤモンドショットキーバリアダイオード(SBD)の作製プロセスの向上，RF-DC変換動作性能向上に向けたデバイス物理の解明と実証を実施し，国際会議や論文を含む成果を得た．
まず，ダイヤモンドSBDの写真製版工程に使用するレジストを見直し，条件出しを実施，最小線幅5 μmのショットキー電極形成技術を確立し，ショットキー電極面積を変えたSBDから等価回路パラメータの寄生抵抗や容量を抽出した．その結果，コンタクト抵抗，電極間抵抗，SBDの真性抵抗からなる寄生抵抗，およびショットキー電極下の容量を考慮することで，容量抵抗積のショットキー電極面積依存性を再現した．これから寄生抵抗の寄与が大きく，効率を向上させるには寄生抵抗低減が重要であることがわかった．
ダイヤモンドレクテナのメリットを明確にするため，原理的な計算にて半導体材料の比較を行った．動作電圧依存性から最大となるRF-DC変換効率を見積もったところ，ダイヤモンドで98 %以上の高い変換効率が127 Vという高電圧で期待できた．よって，ダイヤモンドが大電力高効率動作に適した材料であることがわかった．
今年度は高周波電源を購入し，入力振幅などの条件依存性を測定した．特に動作電圧を増加させた場合について，RF-DC変換の様子を評価した．その結果，原理的な計算で予測されたように入力振幅を増加させると入力電圧に対する出力電圧の比が増加し，効率が向上することがわかった．
さらに酸化ガリウムを用いてSBDを試作し，RF-DC変換動作を実証した．ショットキー電極の直径が200 μmと比較的大きいが，立上電圧が0.9 Vと良好で，入力電圧の振幅10 V，周波数10 MHzで，8.5 Vの直流に変換できることを実証した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成27年度の研究の推進方策に従い，計画通りに進捗している．回路性能を向上させるため，デバイス構造や物性値と回路モデルを結びつけながら実施している．
RF-DC動作実証(平成27年度)を元に物理現象を含んだ回路の提案，物理と回路性能の関係など基礎（物理現象）から高周波応用（RF-DC変換効率）を探究することを実施した．改良した試作プロセスによりSBD面積依存性を評価解析した．また，物性値を元にした計算結果から入力電圧増加が動作性能を向上させることを確認した後，入力電圧を増加させ，出力電圧が向上することを実験で確認した．平成28年度は物理現象とデバイス性能を結びつけることができ，性能向上に有用なデバイス構造を検討する下地ができたと考える．
さらにダイヤモンドで培った技術を酸化ガリウムに適用し，RF-DC変換動作を実証した．このように研究している適用材料を広げていくことで，この分野の研究を活性化できていると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は研究費助成の最終年度である．そこで，回路性能を向上させるためのデバイス構造検討を継続するとともにダイヤモンドSBDを組込んだ小規模な回路モジュールを作製し，RF-DC動作実証を行いたい．これまではブレッドボードとオンウエハプローブステーションとをBNCケーブルで結んだ大きなものを使い，RF-DC変換動作を実験していた．回路モジュールでの動作をデモすることができれば，研究が進んでいることをアピールすることができるとともに実際に近い状態での動作を検討することでより精度の高い解析やモデル作成が可能となる．
具体的には回路基板を試作するための基板加工機を購入する．装置立上げと並行し，試作する回路モジュールの寸法を設計する．試作した基板上にダイヤモンドSBDを設置，ワイヤーで基板と接続することで，回路モジュールを完成させる．高周波電源を用いて，現状の実験結果が回路モジュールレベルでも再現できることを確認する．また，現状の設備を用いて，寄生抵抗もしくは容量を低減する試作プロセスやデバイス構造を考え，実際に動作を検証していく．
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| Causes of Carryover |
平成28年度に高周波電源を購入し，立上げやダイヤモンドSDB評価への適用などを実施したため，回路モジュール試作を平成29年度に遅らせた．平成29年度にて，基板加工機を購入する予定としたため，その財源として次年度使用額が生じている．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度で，試作プロセスの改良，RF-DC変換動作の検討を十分実施しているため，スムースに回路モジュール試作に移行できると考える．また，RF-DC変換動作の検討方法は平成28年度でおおよそ確立したので，平成29年度は検討の継続と回路モジュールの試作を両立できると見込める．
そこで，基板加工機以外に試作プロセスやこれまでと同じ評価にかかる薬品などの消耗品，電子部品などを購入すれば繰越金を含めた予算を使う見込みである．
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