成果報告書詳細
管理番号20090000000201
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/情報通信機器用低損失電源基盤技術開発
公開日2009/9/9
報告書年度2006 - 2008
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約1.トランジスタ及びダイオードの開発 MOCVD法を用いて、SiC基板とSi基板上への窒化物半導体ヘテロ接合の成長技術の開発を行った。安価なSi基板を用いることは、窒化物半導体トランジスタの低価格化と実用化に有用である。Si基板上の成長においては、AlNとGaNの多層構造をバッファー層として用いた。Si基板の前処理などを最適化し、成長前にSi基板上の酸化膜を完全に除去することにより、良好な結晶が得られた。またAu 鍍金技術を用いて、マルチフィンガー構造の電極を形成し、トランジスタやダイオードの大電流化を行った。10A 以上の素子製作が可能であった。また、Ti/Au/Al/Au 構造をオーミック電極に用いたところ、Ti のAlGaN/GaN ヘテロ構造への拡散が促進され、オーミック電極の低抵抗化が達成できた。また、ゲートリセス構造とHfAlO ゲート絶縁膜の組み合わせによりノーマリオフ動作のデバイスを作製した。しきい電圧は0V以下、最大ドレイン電流は1A以上であった。作製したデバイスは、放熱性の良いAlN 基板上に実装した。ワイヤーボンディングには、アルミ線を用いた。 2.電源回路の開発 高効率な電力変換回路の設計には、L やC、トランジスタなどの回路構成部品の等価回路モデルを用いた数値解析が必要となる。そこで、Si-MOSFET で用いられている3つの容量と電流源からなる等価回路をベースにして、GaN トランジスタに特有のショートチャンネル効果と電流コラプスの影響を含めた等価回路を開発した。等価回路モデルの容量や電流源などの定数は、GaN トランジスタの実際の動作特性の測定結果などから決定した。等価回路モデルの有用性を調べるために、チョッパ回路(DC-DC 変換器)を作製し、実験による測定結果と計算結果を比較した。その結果、作製したGaN トランジスタの等価回路を用いた数値解析は、93%以上の精度を示した。 GaN トランジスタの実用性を実証するために、ACアダプタ回路として絶縁トランスを用いたフライバックコンバータを作成し、諸特性について検討した。小型化には高い周波数でのスイッチングが有効である。そこで5MHz スイッチング周波数での動作を行った。この時、出力電圧にリップルが見られた。高周波のリップルは、小型のコンデンサーにより低減できたが、一方で、低周波のリップルの低減には大きなコンデンサーが必要であった。これを抑えることが,高周波スイッチングを用いたコンバータの小型化での問題点であることが分かった。
英文要約1. Developement of transistor and diode The epitaxial growth of GaN semiconductor on SiC and Si substrate using MOCVD was developed. The developement of AlGaN/GaN heterostructure wafer using Sisubstrate is important for reduction of the production cost of GaN-based FETs. The AlN/GaN multilayer structure was used as buffer layer for GaN growth on Si substrate. The pretreatment condition of Si(111) substrate for removing oxidized surface was optimized and the good epitaxial film on Si substrate was obtained. The multifinger electrode structure was formed using Au-plating, and the large current FETs and diodes were fabricated. Over 10 A was obtained. When we employed the Ti/Au/Al/Au ohmic electrode structure, Ti atom diffusion into the AlGaN/GaN heterostruture was quickened and low contact resistence was obtained. Employing the high-k HfAlO gate insulator on the gate-recess structure, the normally-off operation was obtained. The threshold gate voltage was under 0 V, and the maximum drain current was over 1 A. The fabricated normally-off device was mounted on the AlN ceramic subtrate with low thermal resistance using Al-wire bonding. 2. Developement of switching converter In order to analyze and design the high-efficient power converter circuit, the equivalent circuit models for the discrete elements, such as L, C and FET are necessary. Thus we developed the equivalent circuit model for GaN transistor that consists of three capacitances and one current source. This equivalent model has been originally used for Si-MOSFET, the short channel effect and current collapse effect of GaN transistor was, however, considered. Using the measurement results of the operating characteristics of GaN transistor, the parameters of the equivalent circuit, i.e. three capacitances and the current source were determined. The chopper circuit (DC-DC converter) was fabricated for examination of the equivalent circuit, and the numerical result and experimental result of the circuit operation were compared. The numerical result using the equivalent circuit of GaN FET gave the accuracy over 93 %. In order to examine the feasibility of GaN FET, the flyback converter using the insulated transformer, i.e. AC adapter circuit was fabricated and characterized. High frequency switching operation is effective for reduction of the size of the converter. The converter with 5 MHz switching frequency was performed. The ripple voltage was found in the output voltage of the converter. The ripple voltage with high frequency was reduced using the small condenser. However, in order to reduce the ripple with low 6 frequency, the large size of the condenser was necessary. We found that it is important to reduce the ripple voltage or current for the reduction of the size of the converter using the high frequency switching operation.
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