社会実装のためのGaNパワー半導体の課題
分極半導体が拓く未来と計算科学への期待
2022年10月19日
名古屋大学未来材料・システム研究所
天野 浩

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9:30～10:10

VBLホールGaN基板上GaNパワー半導体は何故社会実装が進まないか?

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GaNとは?

LED電球によるGaNの省エネ効果

GaN LED
サファイア基板78 quads = 2.3京 Wh (2017～2035) = 8千9百億$＝121兆円

2.3×1016
日本の照明器具市場におけるLED照明の割合：97.1％(令和2年度)
3/31

https://www.osti.gov/servlets/purl/1607661/
Energy Savings Forecast of Solid-State Lighting in General Illumination Applications, Dec. 2019 US Department of Energy p.2
https://www.jlma.or.jp/tokei/pdf/kigu_statistics01-2016-2020.pdf

GaNは高周波にもパワーにも使われ始めている！
高周波半導体(主に＜28GHz)

パワー半導体(主に＜100W)
GaN Power-HEMT

住友電工：40%Si基板
富士通:7.0 %2017

東芝：12.5%

Grand View Research, Gallium Nitride (GaN) Semiconductor Devices, Market Analysis from 2016 to 2027 (2021)＜200W
GaN RF-HEMT

SiC基板
基地局
Yole development, RF GaN Market,Applications, players, devices, andtechnologies, 2018-2023 (2018)

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https://www.sedi.co.jp/data.jsp?version=&database=wireless&id=6684&class=01010100
https://wimax-broad.jp/column/5g-base-station/
https://www.tlt.co.jp/tlt/press_release/p150227/p150227.htm
https://pr.fujitsu.com/jp/news/2015/12/9.html

GaNが日本における省エネの切り札として期待される理由
対数表示

特性オン抵抗(Ω㎝2)

損失指標

配電・電力網用

Siの千分の一
家庭・ビジネス用
EV用

Siの百分の一
SiCの八分の一GaN基板国内企業
市場占有率：85％

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絶縁破壊電圧(V)

シリコン→SiC→GaNへ

パワー半導体と我々の生活 高出力にはGaN基板が必要
交流
数十万V

パワー半導体交流
200V/100/200V
100V

EV/HEV車
280V～480V

変換発電所

変電所 変圧器

家庭

電池

変換
パワー半導体直流⇔3相交流（インバータ）モータ

パワー半導体交流
エアコン
100/200V
ファンモータ太陽電池
直流
AC

200V～650V

コンプレッサモータ
室外機

変換

パワー半導体風力発電直流⇒交流（コンバータ）
交流⇒直流⇒交流

変換
インバータ（交流⇒直流⇒3相交流） パワー半導体

家庭＞1KW → GaN基板が必要！

三相インバーター
パワー半導体交流モーターA B Cバッテリースイッチオンオフのゲート信号を入れる

コンピュータhttps://www.nidec.com/jp/technology/motor/basic/00005/

320KW

三相インバーター

モーターは交流
バッテリーは直流リチウムイオンバッテリー（75kWh） 350-400V

テレビ
コンセント

パワーデバイス
交流

直流

電圧昇降
パワー半導体6/31

交流の周波数変換

電気自動車（プリウス：TOYOTA）

電気自動車はパワー半導体がないと動かない
Tesla Model 3
https://vr46tesla.com/2019/05/11/post-369/
https://www.tesla.com/model3

GaN基板が必要な理由
環境省：未来のあるべき社会・ライフスタイルを創造する技術イノベーション事業
品質GaN基板を用いた超高効率GaNパワー・光デバイスの技術開発とその実証

高三相インバーター
パワー半導体交流モーター
A B C

世界で最初に実車動作に成功！
ただし、使用したGaNは第一世代

バッテリー～20mA ～350mA

スイッチオンオフのゲート信号を入れる

10mA

1A

100mA

10A

100A

100%

0.04/cm280%

4/cm2
Yield

1KA/chip60%

0.4/cm2

40/cm2400/cm2

40%
20%

4000/cm2

キラー欠陥密度0.1

100

コンピュータhttps://www.nidec.com/jp/technology/motor/basic/00005/• 第三世代GaNでは6チップでEV可能(小型化、低コスト化)

0%
0.01

1
10
Device area [mm2]1000(assuming 100A/cm2)
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第一世代の場合、72チップ必要だった。

日本が世界の最先端を走るGaN基板製造技術
Si上のGaN

AC アダプタ
小電力用に限られる

1. 第一世代：サファイア、Si、SiC上のGaN

10億個

欠陥密度：109/cm2

CREE, Efficient Power Conversion Corporation, Transphorm, GaN Systems,
Infineon Technologies AG, NXP Semiconductors, Qorvo, Texas Instruments
Incorporated, Toshiba Corporation, Rohm, Navitas Semiconductor, CGD(英),etc.

2. 第二世代：(気相からの結晶成長)HVPEｰGaN上のGaN

100万個

欠陥密度：106/cm2

Nichia Chemicals, SONY, Panasonic, SEI, etc.
NexgenPowerSystems(米)3. 第三世代：低転位GaN基板上のGaN
基板成長技術 : Na flux、SCAATTM-LP
いずれも日本発‼

1万個未満(キラー欠陥は100個以下)

欠陥密度：<104/cm2

大電力用(欠陥の一部は、電流が漏れたり局所的な破壊を引き起こす)
Na flux、SCAATTM-LP(いずれも液相からの結晶成長で、欠陥を生じにくい)8/31

GaN基板技術 Na flux method(大阪大学、豊田合成)

2 inch6 inch
https://www.toyoda-gosei.com/news/detail/?id=306

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製造装置(豊田合成提供)

森勇介教授提供

アモノサーマル法(三菱ケミカル、日本製鋼所)アモノサーマル法原理

水熱合成法の例➢ 圧力容器内で温度と圧力を上げることでアンモニアが超臨界状態となる➢ アンモニアの代わりに水、GaNの代わりにSiO2を用いる手法が、水熱法による人工水晶の結晶育成➢ 超臨界状態のアンモニア中にGaN多結晶を溶解させ、GaN種結晶上に再析出させる➢ 大型の圧力容器を用いることで、一度に多数の結晶を得ることが可能➢ 水熱法では低コストな大型人工水晶の大量生産を実現している

SCAAT™-LP*の模式図(*三菱ケミカルと日本製鋼所が行うアモノサーマル法の登録商標)

高圧容器

GaNで人工水晶と同じことを実現させる！

GaN多結晶ヒーター
遮蔽板
超臨界NH3
GaN種結晶人工水晶取り出し作業

10/31(株）日本製鋼所提供

600 mmコストを十分の一にするレーザスライス技術(名大、浜松ホトニクス)

A.Tanaka, R. Sugiura, D. Kawaguchi, Y. Wani, H. Watanabe, H. Sena, Y. Ando, Y. Honda, Y. Igasaki, A. Wakejima, Y. Ando, and H. Amano, Sci. reports, 12, 7363 (2022).

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R&D for the expansion of radio wave resources (JPJ000254) organized by the Ministryof International Affairs and Communications, JapanGaNパワーデバイス社会実装の最大の課題：MOS不安定性
セルピッチ

必要仕様

ゲート絶縁膜SiO2

ゲート
Gate

MOSFET
チャネル長

2013年時点

Drain
ソース

Rch

p+型コンタクト領域

Rch

Ionp型ウェル(ボディ)領域
impla.

RJFET

RdriftHomoepi.

n-- 型ドリフト層
Drift layer

1. Vth > 3V
2. mch > 100 cm2/Vs△

1. n+, p+ for contact
2. p-well for DMOS
3. p for edge termination○

1. Low-doping down to 1015cm-3
JFET抵抗が増加するので、
2. Quickthick growth >10μm
微細化に限界3. Low trap conc.

○

1. Low TDD, Killer defects free
2. Low off-angle distribution
3. Low resistivity < 10mΩcm

○

セルピッチ

型基板
nn++substrate
ドレイン
Source12/31

現時点

n+型ソース領域

GaN sub.

△
○
○
○
○

○
○

分極ドーピングによる不純物ドーピング限界の超越

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Acknowledgements
This work has been done in collaboration with AsahiKASEI Innovative Devices
Industry-Academia Collaborative Chair and our team in Nagoya University

Backend equipment(After metallization process)

PLXRDMOCVD reactors

Frontend equipment(Before metallization process

Dr. Leo Schowalter

Dr. Akira Yoshikawa

Dr. Naohiro Kuze
Dr. Kazuhiro Nagase
Dr. Masato Toita
2 inch AlN substrate
Grown at Crystal IS

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Lithography area

i-line stepper

Wet process area

RCA cleaning

Ion implantation

Nagoya University
C-TEFs Clean Room
C: Center for Integrated Research of Future Electronics
TEFs: Transformative Electronics Facilities

Strong polarization in III-nitrides
Pzc-axism,a-axis

University of Virginia
A. Bykhovski, B. Gelmont, and M. Shur, “Strain and charge distribution in GaN-AlN-GaN semiconductor-insulator-semiconductor structure forarbitrary growth orientation”, Appl. Phys. Lett., 63(1993)2243.

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1997 MRS Boston

Symposium D-Nitride Semiconductors

D6.1 CHARACTERIZATION AND GROWTH OFNITRIDE BASED QUANTUM STRUCTURES.

Ps+Pz
D15.5 SPONTANEOUS POLARIZATION, PIEZOELECTRICITY, DIELECTRIC
PROPERTIES, AND LO-TO-PHONON SPLITTINGS IN III-V NITRIDES

Quantum Confined Stark EffectHigh excitation

Low excitation
F. Bernardini and V. Fiorentini, and D. Vanderbirt, “Spontaneous andpiezoelectric constants of III-V nitrides”, Phys. Rev. B, 56(1997)
R10024.

T. Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H. Takeuchi, H. Amano, and I.
Akasaki, “Quantum-Confined Stark Effect due to Piezoelectric Fields in GaInN
Strained Quantum Wells”, Jpn. J. Appl. Phys., 36(1997)L382.

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Meijo University

Universita di Cagliali, Rutgers University

Application of polarization effect: HEMTS

G

2D E-gas

DGate
Undoped
AlGaN
EV

AlGaN
Undoped GaN

GaN

2D E-gas

S

G

Al0.4Ga0.6As:Si
Takashi Mimura
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Doped AlGaAs

DUndopedGaAsEC

EC
Gate

AlGaAs:SiGaAs
HEMT: High Electron Mobility Transistor (1980, Fujitsu)

EV

Pioneer of GaN HEMT
ProcessEpi

M. A. Khan, A. Bhattarai, J. N.
Kuznia, and D. T. Olson, Appl.
Phys. Lett., 63 (1993) 1214.

u-Al0.14Ga0.86N(100 nm)/u-GaN

APA Optics
Cornell University

Asif Khan
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Lester Eastman Jinwook Burm
(Now, Sogang Univ.)Request from Professor Eastman

Cornell University

1995
Proposedto us

Lester Eastman Jinwook Burm

Meijo University

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Why did we notice the polarization effect?
Why electron density
was higher thanexpected?

Sheet Carrier Density: 7×1012 ㎝-2(Expected: 4.5×1011 ㎝-2)

J. Burm, W. J. Schaff, L. F. Eastman, H. Amano, and I. Akasaki, Appl. Phys. Lett., 68(1996)2849.
20/31

Origin of the two-dimensional electron gas
AlN

GaN

InN

a[Å]

3.111

3.189

3.54

c[Å]

4.980

5.185

5.74

c/a

1.600

1.626

1.621

P0[C/m ]-0.081-0.029-0.032

er

8.5

8.9

15.3

2

Fz = 1.25[ MV / cm]ーーーーーーーーー

Np1

8=1.633…
3Ideal－ －－ － －－ － －－p4
p2Tensile stressN－

Al0.3Ga0.7N＋＋＋＋＋＋＋＋＋－Ga+

θ2 p3N－N－Polarization from N to Ga

Polarization chargeCornell University
Walter Schottky InstituteFerdinand Braun Institute

TheoreticalGaN

Ec

Experimental－－＋Ev

O. Ambacher

21/31 O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, W. J. Schaff, and L. F. Eastman, R. Dimitrov, L. Wittmer, and M. Stutzmann, W. Rieger, and J. Hilsenback, J. Appl. Phys., 85 (1999) 3222.

How to distribute polarization induced charges?
3D Electron SlabD. Jena, S. Heikman, D. Green, D. Buttari, R. Coffie, H. Xing, S. Keller,
S. DenBaars, J. S. Speck, and U. Mishra, Appl. Phys. Lett., 81(2002)4395.

University of California, Santa Barbara
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Debdeep Jena

Huili Xing

Application of Distributed Polarization Doping to p-type AlGaNOn N polar GaN

Debdeep Jena

J. Simon, V. Protasenko, C. Lian, H. Xing, and D. Jena,“Polarization-induced hole doping in wide-band-gap uniaxial
semiconductor heterostructure”, Science, 327(2010)60.

23/31

Huili Xing

University of Notre DameDevelopment of Deep UV Laser Diodes

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Conventional
p-AlGaN:Mg

Room temp.
AlGaN/AlGaInN
Broad contact
well/barrier

10GaInN
Broad contact
AlGaInN/AlGaN
GaN/AlGaN
SQW CWGaInN/GaInNCWAlGaInN/AlGaNGaInN/GaInN
CW

1250

300

350

400

Lasing wavelength [nm]
25/31

450

Maximum hole concentration inp-AlxGa1-xN:Mg
Hole concentration at room temp. [cm-3]

Threshold Current Density [KA/cm2]

Short wavelength oscillation limit of laser diode by conventional impurity doping

1019
1018
1017
1016
1015
1014
1013
10120.01.00.8
0.6
0.40.2
AlN mole fraction in AlGaN

Shortest wavelength Deep UV laser diodeOscillation wavelength 271.8 nm Breakthrough over 11 years※ H. Yoshida, Y. Yamashita, M. Kuwabara, and H. Kan, “Demonstration of an ultraviolet
336 nm AlGaN multiple-quantum-well laser diode”, Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 241106.

Yoshida et al.※λ = 336 nm
Vth = 34 V
Sapphire sub.

λ = 271.8 nm
Vth = 13.8 V
AlN sub.

11 years!

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Z. Zhang, M. Kushimoto, T. Sakai, N. Sugiyama, L. J.
Schowalter, C. Sasaoka, and H. Amano, “A 271.8 nm
deep-ultraviolet laser diode for room temperatureoperation”, Appl. Phys. Exp., 12 (2019) 124003.
K. Sato, S. Yasue, K. Yamada, S. Tanaka, T. Omori, S.
Ishizuka, S. Teramura, Y. Ogino, S. Iwayama, H. Miyake,
M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama, and I. Akasaki,“Room-temperature operation of AlGaN ultraviolet-B
laser diode at 298 nm on lattice-relaxed
Al0.6Ga0.4N/AlN/Sapphire”, Appl. Phys. Exp., 13(2020)031004.

Distribution of charges in graded alloys on AlN substrate

No Mg!

𝑥: 1 𝑡𝑜 0.7

Z. Zhang, M. Kushimoto, T. Sakai, N. Sugiyama, L. J. Schowalter, C. Sasaoka, and H. Amano,“A 271.8 nm deep-ultraviolet laser diode for room temperature operation”, Appl. Phys. Exp., 12(2019) 124003.

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Fundamentals of Distributed Polarization Doping -on AlN case𝑐13𝑒 − 𝑒31𝑐33 33𝑃𝑧 = −2𝜀𝑥𝑥 =𝜀𝑥𝑥

𝑎𝐴𝑙𝑁 − 𝑎𝐴𝑙𝐺𝑎𝑁𝑎𝐴𝑙𝐺𝑎𝑁𝑃0 = −0.029 1 − 𝑥 − 0.081𝑥
𝑃 = 𝑃𝑧 + 𝑃0 − 𝑃0𝐴𝑙𝑁
1 𝑃[∆𝑥]𝑁𝐷𝑃𝐷 =𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟𝑙𝑦 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒𝑑𝑞𝑡on AlN

Al polar
AlxGa1-xN x:1→Decrease Polarization induced p-type
Under compressive stressAlN

N polar
AlxGa1-xN x:1→Decrease Polarization induced n-type

グラフ タイトル linearly graded alloyAssuming
Charge Concentration [cm-3]

Z. Zhang, M. Kushimoto, M. Horita,
N. Sugiyama, L. J. Schowalter, C.
Sasaoka, and H. Amano, “Space
charge profile study of AlGaN-based
p-type distributed polarization doped
claddings without impurity doping forUV-C laser diodes”, Appl. Phys.
Lett., 117 (2020) 152104.

1.80E+181.60E+18
1.40E+18Charge concentration by C-V

1.20E+18
1.00E+18
8.00E+176.00E+174.00E+172.00E+170.00E+00
028/31

Under compressive stressAlN

𝑥: Al composition in AlxGa1-xN𝑡 : thickness of compositionally graded layer∆𝑥 : difference of composition

50

100

150

200

250

300

Graded Layer Thickness [nm]350Development of Deep UV laser diodes
Social Implementation ** km

Change in threshold current density

Jth [KA/cm2]3025(For French people)

20CW@RT1510CW@5℃

502019/5/15 2019/12/1 2020/6/18 2021/1/4 2021/7/23 2022/2/8 2022/8/27 2023/3/15

Date

Suppression ofdegradation****, 2022[5,6]Apr. 6, 2022[4]Dry + Chemicallyetched mirror
PulsedApr.16, 2021[3]Apr. 1, 2017
NU-Asahi Kasei
DUV-LD Project startMar. 25, 2020[2]29/31

Nov. 7, 2019[1][1] Z. Zhang, M. Kushimoto, T. Sakai, N. Sugiyama, L. J. Schowalter, C. Sasaoka, and H. Amano, “A 271.8 nm deep-ultraviolet laser
diode for room temperature operation”, Appl. Phys. Exp., 12 (2019) 124003.
[2] T. Sakai, M. Kushimoto, Z. Zhang, N. Sugiyama, L. J. Schowalter, Y. Honda, C. Sasaoka, and H. Amano, “On-wafer fabrication ofetched-mirror UV-C laser diodes with the ALD-deposited DBR”, Appl. Phys. Lett., 116(2020)122101.
[3] M. Kushimoto, Z. Zhang, N. Sugiyama, Y. Honda, L. J. Schowalter, C. Sasaoka, and H. Amano, “Impact of heat treatment process
on threshold current density in AlGaN-based deep-ultraviolet laser diodes on AlN substrate”, Appl. Phys. Exp., 14 (2021)051003.
[4] Z. Zhang, M. Kushimoto, A. Yoshikawa, K. Aoto, L. J. Schowalter, C. Sasaoka, and H. Amano, “Continuous-wave lasing of
AlGaN-based ultraviolet laser diode at 274.8 nm by current injection”, Appl. Phys. Exp., 15 (2022)041007.
[5],[6] Submitted

DUV LDs for future manufacturing light source
Commercially available 266 nm
BBO up conversion laser

Maskless lithography system

Packaged DUV-C LD↓
Far Field Patternhttps://heidelberg-instruments.com/key-features/maskless-laser-lithography/

Direct Diode Laser

400 μm

250 μm30/31

https://jp.meviy.misumi-ec.com/info/ja/archives/18931/

研究者お二人からのご指摘

分極ドーピングは、学術的には面白いかもしれないが、信頼性などを考えると、社会で使う実際のデバイスには用いられないと思う。

分極でチャージが出来るのは、パワーデバイスとしては邪魔です。
是非皆さんの力でGaNパワーデバイスを社会実装へ！
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