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世界初,アンペア級・1200V耐圧の酸化ガリウムショットキーバリアダイオードを開発 ~急速充電器,次世代EVや空飛ぶ車などの高出力化・低損失化に向けて前進~

 株式会社ノベルクリスタルテクノロジーと国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は2021年12月24日,NEDOの「戦略的省エネルギー技術革新プログラム」において「β-Ga2O3ショットキーバリアダイオードの製品化開発」に取り組む株式会社ノベルクリスタルテクノロジーが,このたび,世界で初となるアンペア級・1200V耐圧の「酸化ガリウムショットキーバリアダイオード(SBD)」を開発したことを発表した.本成果は応用物理学会発行のApplied Physics Express誌オンライン版に掲載された(注).

 酸化ガリウム(β-Ga2O3)は,ワイドバンドギャップ(4.5~4.9V)でパワーデバイスとしてシリコン(Si:バンドギャップ1.1V)に代わる高性能材料として同じく開発が進められている炭化ケイ素(SiC:バンドギャップ3.3V)や窒化ガリウム(GaN:バンドギャップ3.4V)に比べ,その優れた材料物性や低コストの結晶成長方法により,低損失で低コストの特徴を有し,家電,電気自動車,鉄道車両,産業用機器,太陽光発電,風力発電など,さまざまなパワーエレクトロニクス機器への適用が期待されている.搭載する電気機器の小型化や高効率化にもつながるものであり,国内外で研究開発が加速している.

 これまでβ-Ga2O3SBDの開発には,汎用的なプレーナ型構造が用いられてきたが,接合でのリーク電流が大きいため,耐圧1200VのGa2O3SBDを作製するのは困難であった.これに対し(株)ノベルクリスタルテクノロジーでは,2017年に逆方向リーク電流を1000分の1に低減するトレンチ型Ga2O3SBDの原理実証に成功した(NanotechJapan Bulletin, Vol. 11, No. 2, 2018参照).従来のGa2O3SBDは,カソード電極上のGa2O3基板表面に高品質Ga2O3エピタキシャル層(耐圧維持層)を形成し,その表面に堆積されたアノード電極との間にショットキー接合が形成される.一方トレンチ型では,そのGa2O3エピタキシャル層表面にトレンチを並べて掘り,トレンチの側面と底面は絶縁層(SiO2/Al2O3)で覆った上からアノード電極(Ni/Au)を堆積する.トレンチ間のメサになっている部分の上面にショットキー接合が形成される.この構造では,アノード/カソード間に高電圧が印加された時に電界強度が一番高まるトレンチの底部分は絶縁されておりリーク電流は流れない.その後,更に耐圧向上と大電流化を図り,アノード電極終端部にフィールドプレート構造を導入して電界集中を緩和させ,生産技術の確立を進めた.

 今回,2インチウエハーを採用し,リソグラフィーの露光にステッパーを用いたり,メサ上面の絶縁膜の窓開けにセルフアラインでエッチングすることで,均一性や再現性を確保するなど,量産対応プロセスを開発し,順方向電流2A(VF=2.0V),耐圧1200V,低リーク電流<10-9Aの大面積(1.7×1.7mm2)トレンチ型β-Ga2O3SBDの試作に成功した.今後はこのβ-Ga2O3SBDの製造プロセスの確立と信頼性評価を進め,2023年の製品化を目指す.また,2021年6月に販売を開始した高品質β-Ga2O3 100mmエピウェハーを用いて,100mm量産ファウンドリラインの構築を進める.

(注)Fumio Otsuka, Hironobu Miyamoto, Akio Takatsuka, Shinji Kunori, Kohei Sasaki, and Akito Ku-ramata," Large-size (1.7×1.7 mm2) β-Ga2O3 field-plated trench MOS-type Schottky barrier diodes with 1.2 kV breakdown voltage and 109 high on/off current ratio", Applied Physics Express, Vol. 15, No. 1, p. 016501, DOI: 10.35848/1882-0786/ac4080; Published 15 December 2021