超低消費電力の酸化ガリウムショットキーバリアダイオードの開発に成功

株式会社ノベルクリスタルテクノロジー

株式会社ノベルクリスタルテクノロジー
株式会社タムラ製作所
2017年9月12日

超低消費電力の酸化ガリウムショットキーバリアダイオードの開発に成功
−従来より40%低損失のダイオードを低コストで実現可能に−

図1 酸化ガリウムトレンチ型ショットキーバリアダイオードの断面模式図

図1 酸化ガリウムトレンチ型ショットキーバリアダイオードの断面模式図

株式会社ノベルクリスタルテクノロジー(所在地:埼玉県狭山市、代表取締役社長:倉又朗人)は、株式会社タムラ製作所と 共同で酸化ガリウムを用いた超低消費電力ショットキーバリアダイオード※1の開発に成功しました。開発した電力用ダイオードは、 現在市販されているシリコンカーバイド(SiC)を用いたダイオードよりも消費電力を40%低減することができ、さらに低コストで製造可能なことから、 これまでシリコン(Si)やSiCが用いられてきた家電製品から大電力の産業機器まで、様々な電気機器の大きな省エネルギー効果が期待できます。

【内容】

ショットキーバリアダイオードやトランジスタに代表される半導体パワーデバイス(以下、パワーデバイスと表記)は、携帯電話の充電器から 始まり、自動車、電車、ロケットと、世界中のあらゆる電気機器に組み込まれ、電圧や電流の制御を行っている部品です。その制御を行う時に パワーデバイスの中を電流が流れますが、パワーデバイスの電気抵抗が大きいと、そこで大きな電気エネルギーが失われてしまいます。 例えば電気自動車の場合、充電池に蓄えた電気エネルギーで走行しますが、パワーデバイスによる電力変換で電気エネルギーが失われると、 一回の充電で走行できる距離が短くなってしまいます。そこで、パワーデバイスの低抵抗化(低損失化)が重要な課題になっています。

酸化ガリウムは、4.5 eV※2という非常に大きなバンドギャップエネルギー※3を有し、現在パワーデバイス用材料として開発が進められているSiCや 窒化ガリウム(GaN)よりも低損失なパワーデバイスの実現が可能な夢の新材料です。さらに、酸化ガリウムはSiCやGaNには不可能な融液成長法※4による単結晶育成が可能なため、 高品質で大型の単結晶基板をSiCやGaNの100倍高速かつ低コストで製造することができます。これらの特徴から、酸化ガリウムパワーデバイスの早期実用化に向けて、国内外の企業および研究機関が研究開発を加速しています。

これまでに、酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードやトランジスタ※5の動作実証の報告はありましたが、市販されている他の材料を用いたダイオードよりも 低損失な酸化ガリウムデバイスを作ることができていませんでした。当社では、これまでに培ってきた高品質酸化ガリウム結晶成長技術と加工技術を融合し、 酸化ガリウムの材料物性をフルに活かすことのできる、トレンチ構造※6を導入したショットキーバリアダイオードを世界に先駆けて開発することに成功しました。 トレンチ構造の導入により、酸化ガリウムとアノード(ショットキー)電極の接合面を流れるリーク電流を約1/1000まで低減することができ(図2)、 現在市販されているSiCを用いたショットキーバリアダイオードと同程度の耐圧性能を維持したまま(図3(a))、順方向損失を最大で40%低減することに成功しました(図3(b))。 本技術を用いることで、超低消費電力のダイオードを低コストで作製することができるようになり、耐圧数100 Vの家電製品から数万Vの産業機器や発送電設備まで、 世界中の様々な電気機器の省エネルギー化が可能となります。

本技術の詳細は、2017年9月13日(水)~15日(金)に、イタリアのパルマ大学で開催されるInternational Workshop on Gallium Oxide and Related Materialsにて発表いたします。 なお、本開発の一部は、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業の支援により実施しました。

図2 トレンチ構造の有無と逆方向リーク電流の関係

図2 トレンチ構造の有無と逆方向リーク電流の関係

図3 酸化ガリウムトレンチ型ショットキーバリアダイオードと市販されているSiCショットキーバリアダイオードの(a)逆方向特性と(b)順方向特性比較

図3 酸化ガリウムトレンチ型ショットキーバリアダイオードと市販されているSiCショットキーバリアダイオードの(a)逆方向特性と(b)順方向特性比較

【今後の展開】

今後、開発したデバイスの更なる低損失化と高耐圧化を進めることで、酸化ガリウムパワーデバイスの有用性を世の中にアピールして参ります。 また、本デバイスの早期実用化に向けて、酸化ガリウム単結晶基板およびエピ基板の低コスト化、大型化、高品質化に取り組んでいきます。 2018年度にデバイス量産用ϕ 4インチのエピウエハの製造を開始します。2019年度にSiCの価格を下回る価格を実現し、 将来的にはSiCの1/3以下の価格でエピウエハを提供する予定です。

【用語解説】

※1 ショットキーバリアダイオード (Shottky Barrier Diode: SBD)
ショットキー電極と半導体との接合によって生じる電位障壁を利用したダイオード。低い順方向電圧と、低スイッチング損失を特長とする

※2 eV (エレクトロンボルト)
自由空間内で一つの電子が1 Vの電圧で加速されるときのエネルギーを1 eVと表記する

※3 バンドギャップエネルギー
固体内電子の、伝導帯の最も低いエネルギーレベルと価電子帯の最も高いエネルギーレベルの間で、電子が存在できないエネルギー状態。金属ではバンドギャップはゼロであり、絶縁体では大きな値となる。半導体はこの中間にあり、バンドギャップの大きさによりその伝導特性が大きく変化する。

※4 融液成長法
結晶化させたい材料をるつぼの中で融点以上に加熱して融解させた後、種結晶を接触させてゆっくり温度を下げることで単結晶を得る方法。チョクラルスキ法やフローティングゾーン法、Edge-defined film-fed growth法などが有名。

※5 トランジスタ
増幅、またはスイッチ動作をさせる半導体素子。MOSFETやサイリスタ、IGBTなど、構造や動作原理の異なる様々な製品がある。

※6 トレンチ構造
半導体の表面にエッチング技術により形成された溝構造。

【問い合わせ先】

株式会社ノベルクリスタルテクノロジー
《研究内容》営業部  TEL:04-2900-0072
《報道関係》上記に同じ
株式会社タムラ製作所
《研究内容》コアテクノロジー本部セミコン開発室  TEL:04-2900-0045
《報道関係》経営管理本部 経営支援グループ  TEL:03-3978-2013


ノベルクリスタルテクノロジーは、タムラ製作所のカーブアウトベンチャーであり、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)の技術移転ベンチャーとしての認定会社です。

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