成果報告書詳細
管理番号20130000000298
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 高耐圧・省エネ型窒化ガリウム(GaN)パワーショットキーダイオードの研究開発
公開日2013/5/29
報告書年度2011 - 2012
委託先名株式会社パウデック
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約安価なサファイア基板を用い、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth,選択横方向成長)技術を駆使して高耐圧GaN縦型ショットキーダイオードの研究開発を行なった。ELOとは、サファイア基板等のベース基板に誘電体薄膜をコートし、その一部をストライプ状に開口し、その開口部をGaN結晶成長の開始点とし、横方向優先成長を行いマスク上に転位欠陥の非常に少ない結晶を得る技術である。しかし、これまでに報告されているELOはストライプピッチが10数um程度で、縦型電子素子可能技術とはみなされていなかった。縦型素子を実現するために、マスクのストライプ幅が大きいELO技術を開発した。本開発では、ストライプのピッチが170um幅のGaN-ELO結晶を得ることに成功した。このELO-GaNの転位はAFM(分子間力顕微鏡)およびカソードルミネセンス測定では観察されなく、転位密度は1E16cm-2台以下であると推定した。
 ダイオード用の結晶構造を作製するには、ELO結晶成長途上において順次不純物を添加し、また結晶成長条件を変化させながら、以下代表される層構造を積層してゆく。
表面/p+GaN(1E19cm-3,0.3um)/n-GaN(1E16cm-3, 7um)/n+GaN(2E18cm-3/30-40um)/sapphire.
縦型ダイオードの作製手順は以下の通りである。ガードリング用のp+GaNをエッチングで取り除きショットキー面(アノード面)を形成する。次に、アノード面にNi/Au電極を真空蒸着する。GaN-ELOストライプ結晶とサファイアベース基板とは開口部のみで接合しているだけであるので、表面側にトランスファー基板を接着し、メカニカルに剥がすとGaNストライプ素子はトランスファー基板側に移動する。剥がされた面(n+GaN)にTi/Al/Ni/Auオーミック電極(カソード)を形成する。カソードのオーミック抵抗の低減化のためUVパルスーレーザーアニーリングを行なった。最後に、トランスファー基板を取り除く。
 本技術によるGaN縦型ダイオードの順方向電流密度は370A/cm2@Vf=1Vであった。また、Vf=1.3Vでは700A/cm2が得られた。立上り電圧は0.6Vであった。また微分オン抵抗は1.0m-cm2と低かった。
 逆バイアスのリーク電流はVr=800Vにおいて、100mA/cm2、また、Vr=600Vでは10mA/cm2であった。この値は目標値(0.5mA/cm2@600V)に及ばなかった。
 リーク電流は主に貫通転位を通じて流れていることが,逆バイアスでの発光点の観測およびその他の解析により、明らかになった。開口部から発生した転位が上方に伝播するときに広がり一部がショットキー面に進入していた。ELOストライプ幅を広くし、ガードリング領域を広くとることによって解決することができる。
 本素子を5本、TO-220パッケージして、実素子として測定したところ、Vf=2.5Vにおいて3.5A、耐圧500Vの結果を得た。
英文要約Title:Development of High-voltage GaN Vertical Schottky diodes
High-voltage Gallium nitride (GaN) vertical Schottky diodes were developed using sapphire substrates by applying an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method.
The ELO is one of the growth techniques to obtain very low dislocation density epi-layers. We have succeeded in obtaining a very wide ELO-GaN stripes with a more-than 170 um-stripe width. The diode layer consisted of typically n+GaN(2E18cm-3 30~40um)/n-GaN(1E16cm-3, 7um)/ p-GaN (1E19cm-3, 300nm) in order on a sapphire substrate.
The diode fabrication process is as follows; an n-GaN anode surface is exposed by etching the p-GaN layer. Ni/Au metals are evaporated on the n-GaN surface to form the Schottky contact. The metal film overlaps the p-GaN layer of a few microns to form a guard-ring. By covering the sample with a kind of back-grind (BG) tape and by peeling off the BG tape from the sapphire substrate, the ELO stripes are transferred on BG tape. Ti/Al/Ni/Au Ohmic metals are evaporated on the exposed n+GaN surface and annealed by UV pulse-laser. Finally, by removing the BG tape, the vertical diode stripes are obtained.
The forward current was 370A/cm2 at Vf =1.0V and 700A/cm2 at Vf =1.3V. The on-set voltage was 0.6V, and the differential on-resistance (RonA) was as small as 1.0 m-cm2. The reverse leakage current was 100mA/cm2 at Vr =800V and 10mA/cm2 at Vr =600V. The obtained values were not as small as the target value of 0.5mA/cm2 at Vr =600V.
It was found that the leakage current mainly flowed in the threading dislocations. During the reverse biasing, light spots appeared along the border of the mask just above the epi-window and more spots and the stronger optical points were observed as the reverse bias was increased. It was also found that by observing the cathode luminescence (CR), the dislocation lines dispersed and part of which entered into the anode area and appeared in the bright spots. Therefore, by optimizing the anode dimension, the reverse current could be drastically decreased.
A set of five diode samples was mounted in a TO-220 package. The forward current of 3.5A at Vf =2.5V with the reverse sustained voltage of 500V was obtained.
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