特集

低転位GaN基板を用いた縦型ショットキー
バリアダイオードの高速スイッチング特性
Fast Recovery Performance of Vertical Schottky Barrier Diodes on
Low Dislocation Density Freestanding GaN Substrates

吉本晋＊

岡田政也

石塚貴司

上野昌紀

Susumu Yoshimoto

Takashi Ishizuka

三橋

Masaya Okada

史典

Fuminori Mitsuhashi

Masaki Ueno

低炭素社会の実現に向けて、高効率な電力変換器の実現要求が高まっており、窒化ガリウムは電力用半導体としての高いポテンシャルが期待されている。我々は、当社のGaN基板上に縦型ショットキーバリアダイオードを作製し、これまで高耐圧・低抵抗を実証してきた。今回、スイッチング特性に着目しデバイス単体および整流回路を用いて評価を行い、高速なスイッチング特性と低消費電力での動作が可能であることを示した。また長期通電試験を行い、実用的なレベルの信頼性を有していることを実証した。
For the realization of a “low-carbon society,” there is an increasing demand for high efficiency power conversion. Gallium
Nitride (GaN) is expected as a semiconductor with high potential for power devices. We have developed vertical GaN
Schottky barrier diodes on free-standing GaN substrates and demonstrated high breakdown voltage and low
on-resistance. In this paper, we demonstrated the advantage of GaN SBDs in terms of the switching characteristics andlong-time reliability.
キーワード：GaN、ショットキーバリアダイオード、逆回復特性

1.

緒

言

GaNにおいては、シリコン基板やサファイア基板など異な限りある資源の有効活用が叫ばれるようになって久しく、る基板上でのデバイス作製が先行しており、その界面の結晶省エネルギーは各分野で希求されている。省エネルギーは、性が不十分であることから、横型デバイスが主に開発・採用節電やエコなど消費分野での努力に加えて、発生させたエネされてきた。当社では、低転位GaN基板を開発（2）、製造しルギーをいかに無駄なく消費するかという観点も重要であており、これを用いることでデバイスと基板の界面品質を非る。数100kVという超高電圧で発電された電力を、消費形常に良好に形成することが可能となるため、縦型デバイスが態の低電圧にまで如何に低損失で変換するか、即ち電力変換実現可能である。縦型デバイスは、配線、パッケージの容易効率が一つの指標となり、高効率電力変換の果たす役割は非さ、また面積効率の高さから大電流・高耐圧デバイスに有利常に大きい。電力変換器は、太陽光発電システムなどの電力である。

を家庭用に変換するパワーコンディショナや、パソコンや携帯機器などのACアダプタなど、非常に多くの場所で使用されていることから、近年では小型化への要求も高い。

表1

Si、SiC GaNの物性値比較

窒化ガリウム（GaN）は、電力変換器のキーデバイスの一つである半導体素子、パワーデバイス※1 の材料として、注目されている（1）。GaNは表1に示すように、従来材料であるシリコン（Si）と比較して、約3倍の広いバンドギャップ、約10倍の高い絶縁破壊電界、約2.5倍の飽和電子速度などをもち、パワーデバイスの性能を示すバリガ指数※2 では、従来のシリコンと比較して1,000倍近い性能の改善が見込まれている。またバリガ高周波指数※3 でみても、シリコンの半導体技術研究所では、当社の低転位GaN基板を用いた100倍以上の高い性能が予測されている。高周波化すること縦型GaNデバイスの優位性を実証するために、基本的な構で組み合わせる受動部品※4 が小型化できるメリットがある造であるショットキーバリアダイオード※6（SBD: Schottky

ため、2つの性能指数で高い値をもつGaNは高いポテンシャ

Barrier Diode）を製作し、評価を行ってきた（3）〜（5）。本稿でルを有している。

は、GaNの特長の一つである高速性能の検証として、逆回

ここで、半導体デバイスは、その電流の流れる方向によって、縦型デバイスと横型デバイス※5の2つに大別できる。

復時間を評価し、同容量のSiやSiCのダイオードと比較して最も速い値が得られた。さらに、整流回路にそれぞれ組み込2015 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 186 号

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んで比較評価を行ったところ、最も低い損失で駆動できたのり、3.8×1.2×2.0mmと非常にコンパクトな形状である。

で、それらの内容について報告する。さらに長期通電試験の

2−2

評価方法

現在、電力変換を行う一般的な方法として、スイッチング結果についても述べる。

電源が多く採用されている。これは、変換元の電力を所望の2.

値になるように十分に速い周波数のスイッチングで分割し、実験方法

2−1

構

必要に応じて平滑化することで、変換を行う方法である。ス
イッチングの周波数は、速ければ速いほど使用する受動部品

造実験に用いた縦型GaN SBDの構造を図1に示す。n型導電性が小さくて済むため、全体サイズの小型化に有利である。加

GaN基板は、ハイドライド気相成長（HVPE: Hydride vapor

えて、ワールドワイドの入力電圧である85～264Vに対応

phase epitaxy）法で作製し、転位密度は1×10 cm 以下でするためには、一般的に600Vの耐圧が必要となる。

6-2ある。このGaN基板上に、OMVPE（Organic metal vapor

スイッチング電源で使用する際に発生する損失は、スイッ

phase epitaxy）法で、トリメチルガリウムとアンモニア、チがON状態に発生する導通損失と、ON→OFFもしくはモノシランを用いて、n型導電性GaN層を7µm成膜した。

OFF→ON時に発生するスイッチング損失である。スイッチ

ショットキー電極は、その上に形成したNi/Auを用い、さング損失はON/OFFする回数、すなわちスイッチングの周らにパッドとしてAlを成膜し、フォトリソグラフィを用い波数に比例して増大するため、小型化の利点と損失はトレーたパターニングを行って1.1mm×1.1mmの四角形としてドオフの関係にある。しかしながら、スイッチング損失のよいる。また電極端の電界集中を緩和させるために、プラズり小さい、つまり高速で動作可能なデバイスを使用すること

マCVD法 ※7 を用いて成膜したSiNx 膜に、斜面を形成したができれば、同程度の損失でより小型化が可能となる。

フィールドプレート構造を用いた 。基板側のオーミック電（3）さらにダイオードでのスイッチング損失は、ON/OFF切り替え時に、ダイオード自体で発生する損失に加えて、切り極は、Ti/Al/Ti/Auを形成した。

替え後に電流が逆流する逆回復現象による影響も大きい。これは、ダイオードに流れている電流が急に切れたとしても、䝅䝵䝑䝖䜻䞊㟁ᴟNi/Au

ダイオード内部に蓄積されている電荷が流れ出すために、あSiN

たかもダイオードから逆方向に電流が流れだしているように見える現象である。
この現象を逆回復特性といい、一度落ち込んだ電流が90％回復に要する時間を逆回復時間TRR（Reverse RecoveryTime）、逆回復時間までの電流を積分した値は素子内に蓄積されている電荷であり容量性電荷QRR（Capacitive Charge）

図1

縦型GaN SBDの構造模式図という。ここで損失は、電流と電圧を乗算し、時間積分することで得られる。
逆回復現象は、ダイオードそのものだけではなく、他のデバイスにも想定外の電流が流れて、結果として大きな損失が続いて、素子ごとに分離し、樹脂を用いて封止した。ここで、高周波駆動での性能を高めるためには、寄生インダク発生することから、今回この特性がダイオードの高速性能を示す指標と考えて、評価を行った。

タンスをできるだけ低減する必要がある。パワーデバイスで

図2は、逆回復時間を評価するために使用した回路の模一般的なTO-220等では配線による寄生インダクタンスの影式図、図3は評価のタイミングチャートを図示したものであ響が無視できないため、新たに配線を極力減らしたパッケーる。スイッチ素子に、パルス発生器からゲート抵抗を通しジを作製した。写真1は作製したGaN SBDの外観写真であて2つのパルスを連続して導入することで、（1）の区間でコイルにエネルギーが蓄積され、（2）の区間ではダイオードとコイルで閉回路を形成するため、コイルのエネルギーが電流となってダイオードを流れる。その後、（3）の区間で再びスイッチをONにすることで、回路の電源電圧VRR がダイオードに印加される。この時に電流の逆流が生じ、逆回復現象が評価できる。
逆回復特性は、（2）で流れる順方向電流IFや、（3）でかかる回路の電源電圧VRRに加えて、（2）→（3）の遷移スピードにも大きく影響を受ける。今回、（2）→（3）移行時の単位時間当た

写真132

GaN SBDの外観写真

りの電流変化量di/dtを一定にして、比較・評価を行った。

低転位GaN基板を用いた縦型ショットキーバリアダイオードの高速スイッチング特性

䝀䞊䝖᢬ᢠ

5㡰᪉ྥ㟁ὶ㻌(A)ᐃ⣲Ꮚ㻔㻳㼍㻺㻿㻮㻰㻕

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6䝇䜲䝑䝏⣲Ꮚ43210㻜㻚㻜䝟䝹䝇Ⓨ⏕ჾ㻜㻚㻡㻝㻚㻜㻝㻚㻡㡰᪉ྥ㟁ᅽ㻌(V)

図2

逆回復時間の評価回路
図4㏫᪉ྥ㟁ὶ㻌(A)101010101010GaN SBDの静特性（順方向）-4-5-6-7-8-90200400600800㏫᪉ྥ㟁ᅽ㻌(V)

図5GaN SBDの静特性（逆方向）105

図3逆回復時間評価回路のタイミングチャート㟁ὶ㻌(A)

0-5-10Si䝎䜲䜸䞊䝗-15SiC-SBD-20GaN-SBD-253.

実験結果

今回作製したGaN SBDの静特性として、順方向および逆-20020406080᫬㛫㻌(nsec)

図6逆回復特性の比較

表2

各素子の逆回復特性方向の電流-電圧特性をそれぞれ図4、図5に示す。順方向は5Aまでパルス通電し、電圧降下は1.48Vである。また逆方向は、600V印加時のリーク電流が3.1µAであり、実用的な600V耐圧のアンペア級デバイスが作製できている。
続いて、2−2に記載の方法で、逆回復特性の評価を行った。条件は、IF ＝5A、VRR ＝380V、di/dt＝3.4kA/µsec、である。また条件を同じにして、SiC SBD、Siダイオードも測定・比較を行った結果が図6である。また、各特性を表にしたものが表2である。
図6を見ると、Siダイオードと比較して、電流の落ち込みを非常に小さく抑えられていることがわかる。またSiC SBDと比較すると、落ち込みの程度は近いが、GaN SBDは電流がはやくゼロに収束しており、損失に加えて、ノイズの面でも有利であることがわかる。また表2から、TRR はSiC SBDと比較してやや速い程度であるが、蓄積されている電荷を示すQRR はSiダイオードの1/4以下、SiC SBDと比較しても2/3以下であり、いずれと比較しても高速であることを示す結果といえる。さらに、発生した損失を比較すると、Siダイ

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オードの1/5以下、SiC SBDと比較しても1/2以下である。

以上の結果は、GaN SBDが回路に組み込んだ状態で高効加えて、ここで発生した電流は回路内に逆流し、さらなる率を実現した内容であり、高周波駆動での優位性を示す結果損失を発生させる要因となりうることを考慮すると、表2でといえる。

見られる特性の差以上の効果が得られることが期待でき、GaN SBDの有効性を示す結果であるといえる。

4.

5.

デバイスの信頼性

本節では、信頼性評価としてデバイスを高温下で長期通電整流回路での検証した内容について述べる。図9はGaN SBDに順方向にDC5A

ここまでのGaN SBD単体での評価で、高速性の面で優れを通電、図10は逆方向にDC600Vを印加した時の、それぞていることを示した。続いて本節では、整流回路で検証をれ順方向電圧、リーク電流の経時変化である。いずれも素子行った結果を示す（6）。

温度が150度になるように設定した恒温槽内で実施した。

評価には図7に示す回路を用いた。ダイオードにGaN順方向については、ほとんど順方向電圧に揺らぎはみられSBDを採用し、入力の周波数は30MHzとした。また、ダイず、非常に安定していると言える。対して、逆方向についてオード単体の効果を検証するために、あらかじめダイオードは、初期に若干の電流増加がみられるも、その後も安定しての表面温度と消費電力の関係を明らかにしておき、実験中のいる。いずれも破壊や顕著な特性変動は見られておらず、素温度を測定することで、その関係式からダイオードの消費電子の信頼性として実用的なレベルにあると言える。

力を見積もった。また測定は、比較のためにGaN SBDに加えて、同条件でSiC SBD、Siダイオードでも行った。

図7

評価に用いた回路

図8に結果を示す。縦軸は、ダイオードでの損失を全体の図9

順方向長期通電試験（DC5A、150度）

図10

逆方向長期通電試験（DC600V、150度）

出力で除算した割合表示としている。Siダイオードは出力を上げると早い段階で駆動不能となっており、30MHzでの動作は困難であることがわかる。対して、GaN SBDとSiC
SBDは今回評価した全領域で駆動はできているが、GaNSBDは低い消費電力で駆動できており、出力60Wの時点でSiC SBDと比較しても2/3程度の消費電力に抑えられている

䝎䜲䜸䞊䝗䛻䛚䛡䜛ᦆኻ㻌(%)

ことがわかる。

図83480ືస୙⬟60Si40ప䝇䜲䝑䝏䞁䜾ᦆኻSiC

200010206.

GaN
4030ฟຊ㻌(W)50結言

GaNは、その物性値から高耐圧・低抵抗・高速、という6030MHz駆動の整流回路におけるダイオードの損失割合

パワーデバイスに非常に有利な特性を有しており、いかにその特性を引き出すかが課題である。今回、当社のGaN基板上に縦型SBDを試作し、高速性能を評価したところ、同条
件でSiダイオードやSiC SBDと比較しても高速な逆回復特性

低転位GaN基板を用いた縦型ショットキーバリアダイオードの高速スイッチング特性をもつことが確認できた。このことは、スイッチング周波数

参 考 文 献増加を可能とし、結果として電力変換装置や電源の小型化が（1） W. Saito, I. Omura, T. Ogura, H. Ohashi, Solide-state. Electron.,48（2004）1555[2] K. Motoki, T. Okahisa, R. Hirota, S. Nakahata, K. Uematsu, andN. Matsumoto, J. Cryst. Growth. 305（2007）377[3] S. Hashimoto, Y. Yoshizumi, T. Tanabe, M. Kiyama, J. Cryst. Growth.
298（2007）871[4] 堀井拓、宮崎富仁、斎藤雄、橋本信、田辺達也、木山誠、SEIテクニカ
ルレビュー第174号、p.p.77-80（2009）[5] 住吉和英、岡田政也、上野昌紀、木山誠、中村孝夫、SEIテクニカルレ
ビュー第183号、p.p.120[6] J. A. Santiago-González, K.K. Afridi, and D.J. Perreault,
Proceedings from the IEEE Control and Modeling of PowerElectronics（COMPEL）, Salt Lake City, UT（June 2013）

期待できる。また30MHzの整流回路を用いて、他のデバイスと比較したところ、消費電力の観点で最も低く、高効率なデバイスとして実用性を示した。さらに、1,000hの通電試
験では顕著な劣化は見られず、実用的なレベルの信頼性をもつことを確認した。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

パワーデバイス

主に電力変換器で用いられる半導体素子。
執※2

バリガ指数

筆者 ---------------------------------------------------------------------------------＊

吉本

晋 ：半導体技術研究所 主査

εµE 3cであらわされる指数であり、主に材料が持っている物
性値からパワーデバイスとしての能力を比較するために用いられる。
※3

バリガ高周波指数岡田政 也 ：半導体技術研究所
博士（工学）

三橋史 典 ：半導体技術研究所

石塚貴 司 ：半導体技術研究所
博士（工学）

グループ長

上野昌 紀 ：半導体技術研究所
博士（理学）

部長

主査µE 2c であらわされる指数であり、主に材料が持っている物性値から、高周波デバイスとしての能力を比較するために用いられる。
※4

受動部品

供給された電力を消費・蓄積・放出する素子のことで、抵抗やコイル、コンデンサなどを指す。
※5

縦型デバイス、横型デバイス

半導体デバイスの構造を大別したもので、電流の流れる方向で区別される。縦型デバイスは電流が表面から裏面など縦方向に流れるのに対して、横型デバイスは表面から表面など横方向に流れる。
※6

ショットキーバリアダイオード

半導体と金属の接合により生じるショットキー障壁を利用したダイオードのこと。
※7---------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

プラズマCVD法

真空中で材料をプラズマ化し、対象物上に堆積する方法。

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