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成果報告書詳細
管理番号20170000000559
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究 窒化ガリウムパワーデバイス高出力化のための高放熱構造検証
公開日2018/3/16
報告書年度2015 - 2016
委託先名三菱電機株式会社
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト/窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究/窒化ガリウムパワーデバイス高出力化のための高放熱構造検証

 窒化ガリウム(GaN)高周波パワーデバイスの高出力化にともなう発熱問題の解決に向けて、高熱伝導材料である多結晶ダイヤモンドを放熱構造に用いたGaN高周波パワーデバイス実現性の検証のため、多結晶ダイヤモンド製膜技術の開発、密着層形成技術の開発、多結晶ダイヤモンド層の熱評価、ダイヤモンド放熱構造の設計、および多結晶ダイヤモンド基板上GaNデバイスの評価を行った。
 マイクロ波プラズマ化学気相成長(CVD)法による多結晶ダイヤモンド層の製膜機構を理解のため、その製膜特性の評価を行った。多結晶ダイヤモンドの製膜温度依存性では製膜温度の上昇にともない、製膜速度が向上するとともに、ラマン分光法の測定からダイヤモンド結晶の品質が向上していることも確認された。また多結晶ダイヤモンドの熱伝導率を測定し、膜厚方向が1730W/mK、面内方向が1540W/mKとなり、本先導研究の目標としていた1000W/mK以上が得られたことを確認した。
 ホットフィラメントCVD法及びマイクロ波プラズマCVD法による製膜実験を実施して、合成速度・品質等の比較を実施した。2インチ径内では、マイクロ波プラズマCVDの方が極めて高い合成速度と、膜厚・品質の良好な一様性が得られた。ホットフィラメントCVDは原理的に合成面積を拡大することが容易だが、4ー6インチ径までの範囲であれば、マイクロ波プラズマCVDが優位であることを示す結果が得られた。一方、プラズマ分光の空間分布を調査したところ、パワー増大と共にラジカル増化し、原子状水素と炭化水素ラジカルの比率が、合成面積に渡って一定の値を維持していることを示唆する結果が得られた。
 多結晶ダイヤモンド層とGaN層との層間に挿入する密着層の開発を行った。密着層はGaN層と多結晶ダイヤモンド層との熱膨張率差に起因する層間応力による、多結晶ダイヤモンド層の剥離やGaN層の亀裂を抑制することが求められる。また熱処理工程でのGaN層の劣化を防止するため、密着層には高温環境下においてもGaNとの反応性が低いこと等が求められる。評価の結果、ダイヤモンドライクカーボン層とアモルファスシリコン層の積層体が最適であると判断し、この積層体を密着層に用いてGaN基板上に多結晶ダイヤモンドの製膜を行い、損傷等なくGaN層上に多結晶ダイヤモンド層を形成できることを確認した
 GaNパワーデバイス動作時の温度分布をパッケージングした状況での放熱性をシミュレーションにより評価した。具体的にはダイヤモンド基板の寸法、ゲート構造、GaN層の厚さ、Si中間層によるデバイス温度の変化を見積もった。結果、デバイスのゲート構造がデバイス温度に対して最も大きな影響を与えることが分かり、最適化したゲート構造を有するデバイスをダイヤモンド基板上に作製することで、SiC基板上のデバイスに対して温度上昇を56%低減できる可能性を確認した。
多結晶ダイヤモンド基板上GaNデバイスの電気特性、および発熱評価を実施し、その課題抽出とダイヤモンドによる放熱性の向上とを確認した。GaNデバイスのトランジスタゲートリーク電流は値が10ー5ー10ー7A/mmであったのに対し、ドレインリーク電流が10ー3ー10ー6A/mmと電流値もばらつきも大きかった。また、通電中のデバイスの上昇温度より求めた熱抵抗はダイヤモンド基板、SiC基板でそれぞれ1.1℃/W、1.7℃/Wとなり、ダイヤモンド基板を使用することで熱抵抗を36%低減できることを確認した。
英文要約Title: Next Generation Power Electronics Project for a Low Carbon Emission Society/Pilot-study for development of high-power gallium nitride device/Study of efficient heat dissipator for gallium nitride devices with higher output power (FY2015-FY2016) Final Report

 Efficiency of diamond as a heat spreader attached to GaN device was examined. This study consists of five parts: CVD (Chemical Vapor Deposition) deposition of diamond, deposition of adhesion layer in between diamond and substrate, estimation of thermal coefficient of diamond, theoretical study of the optimal structure of diamond substrate to dissipate heat from a GaN device on it, and measurement of thermal property of GaN device attached to diamond substrate.
 Polycrystalline diamond films grown by hot-filament CVD and microwave plasma CVD (MP-CVD) were compared each other. Various growth conditions were investigated to understand the deposition mechanism. Higher substrate temperature resulted in higher deposition rate and better crystal quality as evaluated by Raman spectroscopy. In-plane and out-of-plane thermal conductivity of the sample deposited at 940 °C reached 1730 W/mK and 1540 W/mK, respectively. These values are both beyond the target value (1000 W/mK) aimed in the present study. Lower growth rate and poorer uniformity of thickness and quality were obtained with the diamond film grown over 2 inch substrate grown by Hot-filament CVD. Present result implies MP-CVD is advantageous up to the growth area with 4-6 inch diameter.
 Fabrication process of adhesion layer between diamond and GaN was investigated. Amorphous Si / DLC(diamond like carbon) bilayer was found to be the most suitable adhesion layer among various layers composed of amorphous Si, micro-crystalline Si, SiN and DLC. Crack-free polycrystalline diamond was confirmed to grow on the amorphous Si / DLC bilayer deposited on GaN substrate.
 Theoretical study was carried out on GaN devices assembled on CuMo package. Simulation evaluated the dependence of GaN device temperature on the dimension of diamond substrate, configuration of gate fingers, thickness GaN layer, and thickness of Si layer in between GaN layer and diamond substrate. Configuration of gate fingers turned out to be the most influential parameter. Temperature increase of the GaN device is 56% reduced by altering the substrate from SiC to diamond and by employing optimum gate configuration.
 Preliminary experiments to evaluate the heat dissipation through diamond and to investigate appropriate device fabrication process were carried out with GaN transistors fabricated on it.
 Poor on-off ratio was obtained due to large drain leak current of 10-3 - 10-6 A/mm. Gate leak current was 10-5 - 10-7 A/mm. Thermal resistance is decreased by 36% by altering the substrate from diamond (1.1℃/W) to SiC (1.7℃/W).
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