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GaNパワーデバイス


 21世紀の資源・エネルギー問題を考えるとき、再生可能エネルギーとともに極めて重要な技術が省エネルギー技術であり、その観点からパワーデバイスがキーテクノロジーとして非常に注目されています。
 GaN系パワーデバイスは、先行するSiC系に対して高い絶縁破壊耐圧を持つことから損失の低いパワーデバイスを実現できると期待されています。一方、実用化のための課題として、大口径・高品質基板の安定的な供給、信頼性の向上などがあり、性能的優位性だけではなく信頼性、生産性、低コスト性が求められています。
 本書はこうした背景からGaN系デバイスに着目し、パワーデバイス、高周波デバイス等の高性能電子デバイス用材料としてのGaNの特性、基板技術、製造装置技術に対する技術課題、各分野の応用事例・課題・展望、特許出願動向について詳述しました。


    □体裁 A4判291ページ
    □価格 本体72,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2015年2月

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章 目 次

第1章 GaNパワーデバイスの概要
第2章 GaNパワーデバイスの開発動向
第3章 GaN基板材料技術
第4章 GaNパワーデバイス製造技術
第5章 GaNパワーデバイスの応用
第6章 GaNパワーデバイスの特許出願動向

詳 細 目 次

 
第1章 GaNパワーデバイスの概要 1
 1.1 GaNパワーデバイスへの期待 1
 1.2 GaNパワーデバイスとは 3
  1.2.1 GaN半導体の役割 3
  1.2.2 GaN半導体の特性 5
   (1) 物理定数 5
   (2) 結晶構造 5
   (3) 環境適性 6
  1.2.3 GaN系半導体の開発経緯 7
   (1) GaN系半導体発光素子開発経緯の概要 7
   (2) 高電子移動度トランジスタ(GaN-HEMT)開発経緯の概要 7
  1.2.4 光デバイス材料としてのGaN半導体 8
   (1) LEDの発光波長 8
   (2) 直接遷移型半導体と間接遷移型半導体 9
   (3) n型およびp型GaN 10
   (4) 発光色制御 10
  1.2.5 電子デバイス材料としてのGaN半導体 11
   (1) 高出力高周波デバイス 11
   (2) パワーデバイスおよびその構造 14
    (a) 横型構造デバイス 14
    (b) 縦型構造デバイス 15
 1.3 GaN系パワーデバイスの課題および今後の展望   18
 1.4 SiCパワーデバイスとの相違 19
  1.4.1 物性値の比較 19
  1.4.2 応用分野の比較 19
  1.4.3 GaNパワーデバイスのコスト分析 20
  1.4.4 GaN系およびSiC半導体デバイスの技術課題 20

第2章 GaNパワーデバイスの開発動向
22
 2.1 Si,SiC系パワーデバイスの開発動向 22
  2.1.1 シリコンMOSFETの最新技術動向 22
  2.1.2 シリコンIGBTの最新技術動向 22
  2.1.3 SiCの最新技術動向 23
 2.2 GaNパワーデバイス開発の最新動向 24
  2.2.1 GaN-HEMT(HFET)の特性 24
   (1) 高周波特性の改善 24
   (2) 高耐圧化と低リーク化の工夫 25
   (3) ノーマリーオフ動作の追求 26
   (4) 耐熱性の向上 26
  2.2.2 GaN-HEMTの開発事例 27
   (1) 高効率電力増幅用GaN-HEMT 27
   (2) マイクロ波無線通信用GaN-HEMT増幅器 30
   (3) 広帯域およびMMIC構成のGaN-HEMT増幅器 33
   (4) GaN系MISゲートHEMT 37
   (5) SiCNゲート絶縁膜を用いたMISゲートHEMT 39
   (6) テラヘルツ波検出用GaN-HFET 43
   (7) 絶縁ゲートしきい値のシフト低減GaN-HEMT 45
   (8) ノーマリーオフ動作の追求−促進障壁層構造を有するAlGaN/GaN-HFET 47
   (9) ノーマリーオフ動作の追求−キャップ付きリセス型絶縁ゲート構造
      AlGaN/GaN-HEMT 49
   (10) 電流コラプスの削減−デュアルゲート構造を用いたAlGaN/GaN-HEMT
      の評価 52
   (11) 電流コラプスの削減−AlGaN/GaN-HEMTにおける回復過程解析 54
   (12) ノーマリーオン型高速スイッチング新型GaN-HEMT 56
  2.2.3 GaN系ダイオードの開発事例 59
   (1) NiOx/Ni/Au接合を利用したショットキーバリアダイオード 59
   (2) Pt/GaN-SBDのCOガスセンサへの応用研究 62
   (3) ALD法によるAl2O3絶縁膜GaN系MISダイオード 63
   (4) GaNマルチジャンクションダイオード 65
   (5) GaNスーパージャンクションダイオード 66
   (6) フォトンリサイクリングを活用したGaN-p+nダイオード   67
  2.2.4 GaN縦型デバイスの研究・開発事例 69
   (1) FP構造によるGaN基板上縦型SBDの高耐圧化 69
   (2) GaN自立基板を用いた縦型ダイオード 72
   (3) 縦型GaNデバイスを目指したGaN基板の評価 75
   (4) 低転位GaN基板上縦型トランジスタ 77

第3章 GaN基板材料技術
82
 3.1 GaNパワーデバイスの基板材料 82
  3.1.1 サファイア基板 83
   (1) チョクラルスキー法によるサファイア結晶の成長 84
   (2) 準ミリ波長距離伝送に向けたサファイア基板上GaN-HFET 86
  3.1.2 SiC基板 88
   (1) 改良レーリー法の最近の動向 89
    (a) 改良レーリー法概要 89
    (b) SiC基板加工技術 90
    (c) SiC単結晶の転位欠陥の低減 90
   (2) SiC溶液成長の最近の展開 91
  3.1.3 シリコンウエハ 94
   (1) Si基板上へのGaN単結晶の成長 94
    (a) GaN層総膜厚とウエハのそり依存性 95
    (b) オーミック電極の耐圧とピット欠陥の対策 96
   (2) MOVPE法によるGaN on Si基板の開発 97
   (3) Si基板上GaN系電界効果トランジスタ 99
    (a) Si基板上へのGaNエピ成長の検討 100
    (b) Si基板上GaN-HFET素子のプロセスと評価 100
    (c) GaN系トランジスタのノーマリーオフ化と電流コラプス対策 102
  3.1.4 その他異種材料基板 102
   (1) AlN基板を用いた高Al組成AlGaN-HEMTの開発 103
   (2) 窒化アルミニウム(AlN)単結晶の合成 105
    (a) 最近のAlN単結晶成長法の概要 106
    (b) AlN膜成長法の概要 106
    (c) サファイア窒化法によるAlN膜の開発 106
   (3) グラファイト基板上へのGaNのMOCVD成長 108
 3.2 GaN単結晶基板の開発動向 111
  3.2.1 GaNバルク結晶成長技術の概要 111
   (1) GaN単結晶基板の主な製造法 111
   (2) GaN単結晶基板の要求特性 112
    (a) GaN基板のメリットとしてエピタキシャル層との整合性 112
    (b) GaN自体の物性に由来する特性 112
    (c) GaN基板に期待される要求特性 113
  3.2.2 ハイドライド気相成長法 113
   (1) ハイドライド気相成長法の原理 113
   (2) FIELO法 115
   (3) DEEP法 118
   (4) ボイド形成剥離法 121
   (5) 原料分子制御HVPE成長 123
  3.2.3 Naフラックス法 126
   (1) 板状種結晶上のGaN結晶育成技術   126
   (2) 微小種結晶上のGaN結晶育成技術 127
  3.2.4 アモノサーマル法 128
   (1) アモノサーマル法の概要 128
   (2) 鉱化剤の選択 129
   (3) 結晶成長の制御 132

第4章 GaNパワーデバイス製造技術
135
 4.1 GaN半導体製造技術の概要 135
 4.2 設計技術に関する開発事例 136
  4.2.1 GaN-HEMTのデバイス/回路設計ツール 136
  4.2.2 AlGaN/GaN-HEMTのフィールドプレート設計 138
   (1) Si基板上AlGaN/GaN-HEMTのFP設計 138
   (2) AlGaN/GaN-HEMTの耐圧特性に影響するバッファ層内不純物とFP 139
 4.3 プロセス技術に関する開発事例 142
  4.3.1 GaNエピタキシャル成膜技術 142
   (1) 有機金属気相成長(MOVPE)法 142
   (2) 分子線エピタキシー(MBE)法 143
  4.3.2 GaN基板加工技術 145
   (1) GaN基板の高効率加工を目指したCMP前工程の検討 145
   (2) SiC、GaN単結晶表面の触媒表面基準エッチング法 148
  4.3.3 絶縁膜形成技術 152
   (1) 絶縁膜/GaN界面のバンドオフセット 152
   (2) トランジスタ特性と界面準位の評価 154
    (a) SiO2/GaN界面とトランジスタ特性 154
    (b) SiN/(Al)GaN界面とトランジスタ特性 154
    (c) Al2O3/GaN界面とトランジスタ特性 155
    (d) High-k/(Al)GaN界面とトランジスタ特性 155
  4.3.4 イオン注入技術 155
   (1) ミリ波用高速GaN-HEMTに対するSiイオン注入技術の検討 156
   (2) Siイオン注入GaN/AlGaN/GaN-HEMTのオン抵抗低減化 156
 4.4 製造装置に関する開発事例 161
  4.4.1 Naフラックス法によるGaN基板製造装置 161
  4.4.2 パワーデバイス向けMOCVD装置 162
   (1) エピタキシャル成長コストから見たMOCVD装置の生産量への要求 163
   (2) Si基板上のバッファ層への要求 163
   (3) MOCVD装置の開発 163
   (4) 量産型MOCVD装置の開発   164
  4.4.3 GaN、SiCプロセス用排ガス処理装置 166
  4.4.4 MOCVD装置用向け反応炉パーツ洗浄装置 167
 4.5 信頼性評価技術 170
  4.5.1 半導体製品の故障率と寿命 170
  4.5.2 GaN-HEMTの耐久性および信頼性の事例 170

第5章 GaNパワーデバイスの応用
173
 5.1 家電応用の事例 173
  5.1.1 Siショットキーバリアダイオードを集積化した低電圧DC-DCコンバータ 173
  5.1.2 GaNマルチジャンクションダイオードのスイッチング応用事例 174
 5.2 通信応用の事例 177
  5.2.1 衛星搭載用GaN-HEMT増幅器 177
  5.2.2 通信用途に向けたGaN-HEMT素子の開発事例 180
 5.3 自動車応用への展望 184
  5.3.1 自動車応用への要求仕様 184
  5.3.2 GaNデバイスの自動車応用への課題 185
   (1) 大電力モジュール 185
   (2) 中・小電力モジュール 186
   (3) GaNデバイスの自動車応用への課題   186
    (a) 絶縁膜の信頼性 187
    (b) アバランシェ破壊 187
 5.4 電力応用への事例 189
  5.4.1 電力変換用3kV耐圧GaNダイオード 189
  5.4.2 次世代6kV超耐圧GaNトランジスタ 191

第6章 GaNパワーデバイスの特許出願動向
195
 6.1 国内特許公報および海外特許公報に見るGaNパワーデバイスの技術動向 195
  6.1.1 出願傾向からみた応用分野 198
  6.1.2 課題解決に関する技術動向 198
   (1) デバイス・モジュールの特性向上への取組み 199
   (2) 基板の特性向上への取組み 202
 6.2 主要出願人別の動向 205
  6.2.1 国内・海外特許公報の国籍別出願人の動向 205
  6.2.2 GaNパワーデバイスに関する国内特許公報から見た出願人別動向 207
  6.2.3 GaNパワーデバイスに関する海外特許公報から見た出願人別動向 210
  6.2.4 国内出願からみたGaN系デバイスに対する各社の取組み状況 211
   (1) GaN光学系デバイス(LED、LD)とGaNパワーデバイス 211
   (2) 主な企業グループのGaNパワーデバイスへの取組み 212
  6.2.5 海外特許公報からみたGaNパワーデバイスに対する各社の取組み状況 215
 6.3 GaNパワーデバイスの国内における公開特許公報の具体的な事例 218
  6.3.1 基板技術 219
   (1) GaN単結晶基板 219
   (2) その他異種基板 230
  6.3.2 デバイス技術 237
   (1) GaN高電子移動度トランジスタ 237
   (2) GaN電界効果トランジスタ 240
   (3) GaNダイオード 254
   (4) GaN縦型デバイス 258
   (5) モジュール 267
  6.3.3 プロセス技術 270
   (1) 基板加工技術 270
   (2) GaN半導体膜形成技術 272
   (3) 絶縁膜成長技術 279
   (4) エッチング技術 284
   (5) 製造装置 286
   (6) 信頼性技術 289

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