SBDとHEMTを統合したGaNパワー半導体：imecが発表

[Maurizio Di Paolo Emilio，EE Times]

　ベルギーの研究機関であるimecの研究チームは、GaN（窒化ガリウム）パワーICを次のレベルに引き上げ、スマートパワープラットフォーム上にショットキーバリアダイオード（SBD）とHEMT（高電子移動度トランジスタ）を統合したと発表した。

　imecは2021年12月11〜15日に開催された「2021 IEEE International Electron Devices Meeting（IEDM）」で、この新しい技術を発表した。同技術は、pチャネルGaNのHEMTベースの200V SOI（Silion on Insulator）パワーIC上で、高性能ショットキーバリアダイオードと空乏モード（Dモード）HEMTを組み合わせている。同プラットフォームは200mmウエハー上で開発したという。

　この組み合わせによって、機能性と性能が向上したチップの設計が可能になる。imecは、「この統合は、より小型で高効率なDC-DCコンバーターやPOL（Point of Load）コンバーターの道を開くものとなる」と述べている。

200mmのGaN on SOIウエハー上に製造されたデバイスの断面の電子顕微鏡写真。（A）はEモードのpGAN-HEMT、（B）はDモードのMIS（Metal Insulator Semiconductor） HEMT、（C）はショットキーバリアダイオード［クリックで拡大］ 出所：imec

　imecでGaN技術のプログラムディレクターを務めるStefaan Decoutere氏はインタビューで、「DモードHEMTは、RTL（抵抗／トランジスタロジック）の反転機能をDCFL（直結FETロジック）に置き換えることで、ロジックおよびアナログ機能を向上させ、反転ゲートのプルアップ特性を改善している」と説明している。

　Decoutere氏は、「GaNには優れたpチャネルデバイスがなく、正孔の移動度は電子の約60分の1であるため、CMOSのような相補型ロジックは現実的ではない。低電圧ショットキーダイオードは、レベルシフトやクランピングなどの機能をオンチップで提供する。高電圧パワーショットキーダイオードを使用すると、ローサイドスイッチの第3象限動作を改善し、電力効率を高めることができる」と付け加えた。

　次のステップは、GaN ICのプロトタイプの開発と、より安価な200mmウエハーへのプロセス移管である。Decoutere氏は「以前は、GaN-on-Siはより直径の小さいウエハー（4インチと6インチ）で処理されていたが、GaN技術を200mmに移管する製造工場が増えている」と述べている。

　より大口径のGaN-on-Si基板の課題は、GaN／AlGaN層とその下の基板の熱膨張係数の不一致を考慮すると、基板の機械的安定性である。Decoutere氏は、「超格子バッファの使用など、バッファの適切な設計とMOCVD（有機金属化学気相成長法）装置の改良によって、この機械的安定性の問題に対処することで、200mmウエハーでのGaNの処理を実現した」と説明した。

　GaN HEMTは、パワーエレクトロニクスで使用される高周波パワーアンプや高電圧デバイスなど、さまざまな用途で注目を集めている。コストを削減しSiベースのコンポーネントとの統合を加速するために、現在は、Siベースの基板を使用したGaN HEMTの開発が重点的に行われている。ただし、GaNとSi間の格子不整合と熱的な不整合が原因で、GaN-Siインタフェースには頻繁に欠陥が発生するという課題がある。

　GaN HEMTには、オン抵抗と性能指数（FOM）の望ましい数値がある。電圧ならびに電流定格に応じて、FOMはスーパージャンクションFETの4分の1から10分の1になり得る。その結果、GaNは高周波のアプリケーションに非常に適している。低オン抵抗のGaN HEMTを採用することで、導通損失が減少し、効率は高まる。

　GaN HEMTには固有のボディダイオードがないため、逆回復電荷もない。デバイスはゲート電圧によってさまざまな特性を示し、逆導通が可能である。

　GaNでは、より高速なターンオン／ターンオフ時間（つまり、より高速なdV/dt）と、より低く、厳重に管理されたゲートターンオフ電圧が求められる。そのため、GaNデバイスを動作させることは、MOSFETを動作させるよりも難しい。ゲートループインダクタンス、電源インダクタンス、ゲートレジスタ、ドレイン・ソースインダクタンスを最適化することが、ボードレベルでGaNを動作させる上での主要な課題となっている。設計者は、デッドタイム制御、dV/dt耐性、負電源電圧、ゲートドライバーレベルでの過充電に集中しなくてはならない。ゲートドライバーのハイサイドおよびローサイドの対称性も重要な要素だ。それにより、1ナノ秒未満の遅延マッチングが実現され、デッドタイムを低減できるからだ。

ウエハー上のGaNデバイス

　GaNパワーエレクトロニクスの大半は、外部ドライバーICが必要なディスクリート部品である。だが、GaNの高速なスイッチングを最大限に活用するには、ドライバー機能をモノリシックデバイスに統合することが鍵になる。

　imecは、Eモード（エンハンスメントモード）とDモードのHEMTデバイスを組み合わせることで性能を向上したとする。Decoutere氏によると、統合されたDモードHEMTを用いて、SOI上のEモードHEMTの機能的なプラットフォームを拡張することで、スピードを向上させながら電力損失を減少することができるという。

　もう一つ、GaNパワーデバイスに統合するための重要な部品として、ショットキーバリアダイオードが挙げられる。ショットキーGaNダイオードは、シリコンよりも高い逆電圧と低いスイッチング損失を備えている。imecによると、GaN ICプラットフォームは、マルチプロジェクトウエハーサービスを通してプロトタイピングが可能で、パートナー企業各社も利用できるようになっている。

　まずは、スマートフォンやタブレット、ノートPC向けの急速充電器の他、高電圧の電力スイッチングや変換アプリケーションに向けた、耐圧650V品を開発する計画だ。

【翻訳：青山麻由子、滝本麻貴、編集：EE Times Japan】