大電流で連続安定動作する絶縁ゲート型GaNパワートランジスタを開発

2018-02-232021-05-16

電力機器の各種電力変換回路の高効率動作と小型化を実現へ

2018年2月23日国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構理事長　古川一夫

NEDOが管理法人を務める内閣府プロジェクト「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）／次世代パワーエレクトロニクス」で、パナソニック（株）は、従来のGaNパワートランジスタ技術では困難であった連続安定動作を20Aの大電流で可能とする絶縁ゲート型GaNパワートランジスタを開発しました。

本トランジスタにより、サーバや基地局用電源などの電力機器の各種電力変換回路の高効率動作と小型化を実現できます。

図　絶縁ゲート型GaNパワートランジスタ構造（提供：パナソニック（株））

1．概要

パワーエレクトロニクスは、自動車、鉄道車両、産業機器や家電など生活に身近なさまざまなところに適用され、それらの高性能化や省エネルギー化を支える重要な技術分野です。日本に強みがあるこの領域を強化するため、NEDOが管理法人を務める内閣府プロジェクト「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）／次世代パワーエレクトロニクス」^※1では、Si（シリコン）に代わるSiC（炭化ケイ素）^※2、GaN（窒化ガリウム）^※3、Ga₂O₃（酸化ガリウム）^※4、ダイヤモンドなどの新材料技術の開発を推進して、電力機器の大幅な高効率化と小型化を目指してきました。

今般、同プロジェクトで、パナソニック株式会社は、絶縁破壊電圧^※5が高く電子移動度が大きいGaNを用いて絶縁ゲート型GaNパワートランジスタ^※6を開発しました。このトランジスタはMIS型^※7と呼ばれる上図のような断面構造を採用しています。今回、ゲート絶縁膜の改良などにより、20Aという大電流において、従来のGaNパワートランジスタ技術では難しかった入力（ゲート電圧）に対する出力（ドレイン電流）が連続で安定した値をとるように動作させることができました。

本トランジスタにより電力機器のスイッチング周波数^※8を大幅に高くできるので、周辺受動部品の小型化が可能となり、サーバや基地局などの電力機器における、各種電力変換回路の高効率動作と小型化を実現できます。

なお、本成果はパナソニック（株）と大阪大学、北海道大学との共同研究によって得られたものです。

2．今回の成果

本技術では、AlON^※9をゲート絶縁膜に採用することにより、膜中の電子トラップを大幅に低減しました（従来構造ではAl₂O₃（酸化アルミニウム）^※10を用いています）。これにより、トランジスタのスイッチングを制御するゲート電圧に対するドレイン電流のヒステリシス^※11が抑制され、ゲート電圧として最大+10Vまでの連続安定動作が可能となりました。

また、MIS型トランジスタにゲートリセス構造^※12を導入し、プロセス改良を重ねることにより、ノーマリオフ動作を維持しつつ最大20Aでの大電流動作を実現しました。

これらの技術によって、GaNパワートランジスタにおいて、高速スイッチングが可能となるので、トランジスタだけではなく、コンデンサやインダクタなどの周辺機器の小型化にもつながるため、電力機器の大幅な高効率化と小型化が期待できます。

3．今後の予定

NEDOでは、パワーエレクトロニクス研究開発において、新材料を用いたパワー半導体デバイスの開発を中心に、原料であるウエハや、パワー半導体デバイスをモジュールに組み込む半導体実装や回路設計および信頼性評価技術など、さまざまな基礎・応用技術の研究開発を実施し、パワーエレクトロニクスの適用範囲拡大に取り組んでおり、本分野の発展を通じて日本の産業競争力強化をさらに推進します。

【用語解説】

※1 「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）／次世代パワーエレクトロニクス」: 事業期間：2014年度～2018年度
※2 SiC（炭化ケイ素）: Silicon Carbideのこと。ケイ素と炭素の化合物です。
※3 GaN（窒化ガリウム）: Gallium Nitrideのこと。ガリウムと窒素の化合物です。
※4 Ga₂O₃（酸化ガリウム）: Gallium Oxideのこと。ガリウムと酸素の化合物です。
※5 絶縁破壊電圧: 絶縁体の特性を示す指標の1つで、導体間に挟まれた絶縁体が破壊されて絶縁状態が保たれなくなったときに導体間にかかる電圧です。
※6 絶縁ゲート型GaNパワートランジスタ: 以下の仕様を有しています。
ドレイン電流：20A、耐電圧：730V、スイッチング時間：（オフ時）1.9ns、（オン時）4.1ns、最大ゲート電圧：+10V、ノーマリオフ特性（ゲート電圧を印加していないときに、ドレイン電流が流れない特性のことです。これは、故障時の短絡を防ぐなど機器の安全性を確保する上で重要です。）
※7 MIS型: Metal Insulator Semiconductorの略称。金属／絶縁体／半導体が積層した構造を有するトランジスタのことです。高いゲート電圧を印加することが可能となります。
※8 スイッチング周波数: 直流と交流を変換する変換器において、電流のオンオフを切り替える周波数です。スイッチング周波数が高いほど滑らかな波形が得られます。
※9 AlON: アルミニウム（Al）と酸素（O）、窒素（N）から構成される絶縁性の材料です。
※10 Al₂O₃（酸化アルミニウム）: Aluminum Oxideのこと。アルミニウムと酸素の化合物です。
※11 ヒステリシス: 連続的な入力に対する応答が履歴を伴うことです。ここではゲート電圧を増加させる場合と減少させる場合で、ゲート電圧に対するドレイン電流が変わり不安定動作となることです。
※12 ゲートリセス構造: MIS型GaNトランジスタにおける、ゲート電極下部に凹型を形成したゲート構造のことです。