Realization of high-efficiency GaN rectifier diode with 0V on-voltage and high breakdown voltage for energy harvesting
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22K04227
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
岩田 直高 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40708939)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | GaN(窒化ガリウム) / 環境発電(エナジーハーベスティング) / 低オン電圧 / 高耐圧 / 整流用ダイオード / GaN / ゲーテッドアノードダイオード / 高電子移動度トランジスタ / スーパー接合 / 環境発電 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、低電圧から高電圧までの電気エネルギーを高効率で整流する環境発電向けのGaNヘテロ構造ダイオードを創製する。この素子は、0Vのオン電圧と高耐圧特性を兼ね備えたp型GaNゲートを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタとすべての正と負の空間電荷を厳密に平衡させた高耐圧スーパー接合構造を組み合わせた独自のゲーテッドアノード構造が特徴である。さらに、より高電流化を図るために空間電荷濃度を平衡させたドナーとアクセプタの追加ドーピングを行っても高耐圧特性が同時に得られることを示し、環境発電用の高効率なGaN整流ダイオードを創製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
環境エネルギーの利用が注目されている。IoT端末への電力供給では、電波や振動などを電気エネルギーに変換して端末ごとに貯蔵できることが望まれる。微弱な電波や床振動をピエゾ素子で発電した場合の振幅が大きく変わる交替電圧の利用には、極めて低い電圧からパルス状の高い電圧までを、低い損失で整流できる素子が必要である。我々は、p型GaNゲートを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)と正と負の空間電荷を厳密に平衡させたスーパー接合構造の組み合わせによる独自のゲーテッドアノード構造の研究を進めてきた。本研究の目的は、低電圧から高電圧までの電気エネルギーを高効率で整流する環境発電向けのGaNヘテロ構造ダイオードの創製である。
2022年度には、AlGaN層上のp型GaN層を2領域に分けて、異なる厚さを有するp型GaNゲート構造を検討した。カソードから遠いp-GaN領域(ゲートⅠ)でHEMTのしきい電圧を0V付近に制御して、カソードに近いp型GaN領域(ゲートⅡ)では、p型GaN層を薄層化することで2次元電子ガス濃度を高め、高電流特性を獲得した。
2023年度は、この2領域に分けた異なる厚さを有するp型GaNゲート構造の特にゲートⅠを詳細に検討した。このオーミック電極を形成した領域は、ゲート下のHEMTチャネルの変調とpnダイオードとして正孔の注入を行う。この領域の構造を検討して、HEMT電流とダイオード電流の関係を調べ、線形性の良い電流-電圧特性が得られる構造を明らかにした。この研究から、HEMT特性の改善に必須の短ゲート化によるホール注入の減少を防ぐためにはオーミック電極接触抵抗の一層の低減が求められることを再認識した。そこで、Au/Ni/p型GaN構造の熱処理時に酸素添加を行う検討を行い、NiOの形成を促進して低接触抵抗を実現した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
環境発電向けに、理想的な特性の整流用ダイオードが求められる。すなわち、0Vオン電圧(環境中の電波の整流に必須)、低オン抵抗(高い整流効率を実現するためであり、線形性も必要)、高耐圧特性 (逆方向に急激な高電圧が印加された場合の電流抑止と破壊防止のため)が達成すべき素子特性である。
これまでに、p型GaNゲートHEMTのゲートとチャネルの一方を接続したGAD構造において0Vのしきい電圧が得られるように、ゲートⅠ領域のAlGaN層上のp型GaN層の厚さとMgドープ濃度を厳密に設計、作製した。その膜厚は40nmと見積もられたので、ドライエッチングによるp型GaN層の薄膜化を精密に制御した。さらに、そのカソード側にあるゲートⅡ領域のp型GaN層の厚さは20nmと薄膜化した。これによって表面電位の影響でしきい電圧を深くすることにより、高電流特性を示した。
この検討結果を盛り込んだ構造をSiC基板上のエピタキシャルウエハで実現するため、セラミックフォーラム社に発注(製造はEnkris社)したところ、中国のGa輸出規制で輸出の許可が得られないため、今に至るまで納品できていない。このウエハの評価結果をすぐ次のウエハ構造に生かす計画であったため、研究後半の進捗にも影響した。急遽、これまで使用してきたSi基板上のウエハを用いて、表面のp型GaN層の厚さ40nmにドライエッチングで揃えて研究を進めた。低オン抵抗化の検討には十分であった(学会で報告)が、p型GaN層へのMgドープ濃度を、AlGaN層上下のヘテロ界面に生じる負と正の分極電荷に加えて結晶成長時の残留不純物であるSiによるドナーも相殺して素子表面や基板との成長界面の欠陥電荷も加味して厳密に釣り合わせる検討は進まなかった。すなわち、高耐圧化にはゲートⅡ領域の精密な設計と構造の作製が求められるため、十分な検討は行えなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
環境発電向けには理想的な特性の整流用ダイオードが求められており、0Vオン電圧、低オン抵抗(高電流)、高耐圧特性が達成すべき素子特性である。
2024年度は、これまでの試作結果に基づいて設計したウエハを用いて、まずすべての正と負の空間電荷を厳密に平衡させた高耐圧SJ構造の検討を、表面と成長界面の評価を通して進める。アクセプタとドナー濃度が等しいSJ構造で逆方向のバイアス印加を進めると、完全空乏化が同時に達成されるため、空乏層内の電界は一定となり、耐圧電圧が最大化するからである。これを、先に示したHEMTのしきい電圧0Vを実現する厳密なMgのドーピングに加味して、すべての空間電荷(表面と成長界面を含む)との相殺が同時に実現するように設計し、GAD試作と評価により整流特性を確認する。
そしてオン抵抗の低減は、p型GaN層への低抵抗オーム性接触を有するGADにより実現する。すなわち、p型GaNゲートとHEMTチャネルの両方へのオーム性接触が良好であることにより、HEMTのしきい電圧0Vからの低抵抗特性に加えてp型GaNゲートとHEMTチャネル間の正孔注入増大によるダイオード電流の増加を付加する。これには、デバイスシミュレータを用いたゲート構造の設計に着目した新構造ダイオードの研究も加える。さらに、一層の高電流化を図るために空間電荷濃度を平衡させたドナーとアクセプタの追加ドーピングを行っても高耐圧特性が得られることを示す。そして、実用的な全波整流用ダイオードブリッジなど高効率なGaN整流用素子を創製する。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
