徳島大学The University of Tokushima

The University of Tokushima

Department of Electrical and Electronic Engineering

Ohno Laboratory

12012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

GaNショットキーダイオードを用いたマイクロ波電力整流回路の研究

2010年02月17日（水）

電気電子創生工学コース 大野（泰）研究室

高 橋 健 介

The University of Tokushima

22012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

本論文の構成

第1章 序論（ワイヤレス電力伝送・研究目的）

第2章 デバイス開発（設計・試作）

第3章 DC測定・解析

第4章 AC測定・解析（RF解析）

第5章 デバイス応用とレクテナ整流回路測定

第6章 結論

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32012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

ワイヤレス電力伝送と整流用デバイス

マイクロ波を用いた 大電力 伝送– 建物内ワイヤレス電力配電

– 宇宙太陽光発電（SSPS）

– 電気機器の非接触充電

受電整流回路（レクテナ: Rectifying Antenna）– 大電力

– 小型

– 高効率 RF/DC変換

整流回路内のダイオード特性建物内の無線電力配電システム

重要

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42012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

マイクロ波電力整流用ダイオードの必要性

大電力マイクロ波を全波整流できるダイオード– 2.45GHz，大電力整流

ダイオード損失を防ぐ（変換効率低下の主原因）

高耐圧（100V程度）

時定数τ （ON抵抗と容量の積）を最小

順方向大電流密度

低ON電圧

低リーク電流

高周波動作，耐熱性

RF-AC大振幅

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52012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

時定数τ （ON抵抗×容量）

ワイドバンドギャップGaN（窒化ガリウム）が有利！– τは絶縁破壊電界の2乗で小さくなる

1 10 100 1000

Breakdown Voltage [V]

τ =

RO

N ×

C

SiGaAsGaN

Si GaAs GaN

10-11

10-12

10-14

10-13

10-15

ワイドバンドギャップの優位性

24

C

BON E

VCRμ

==τ

大電力

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62012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

本研究の目的

マイクロ波大電力整流用ショットキーダイオードを開発– GaN，縦型構造

– DC，AC，小信号測定

– RF測定（Sパラメータ）

マイクロ波大電力整流回路（レクテナ）の高性能化– 小型、高効率化

ON抵抗、アクセス層抵抗、容量を評価

有用性を確認

応用

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72012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

ダイオード特性目標値

回路シミュレーションから決定

目標値他パラメータとの関係性(各々１％以下が要求)

使用周波数 f 2.45 GHz f << 1 / 2πτ

電力 POUT 10 W

耐圧 VB 100 V

ON抵抗 RON 2 Ω RON << RL (負荷抵抗)

容量 C 2 pF

ON電圧 VON 1.1 V VON << VB (耐圧)

逆リーク IR 10-5 A IR << IF (順方向最大電流)

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82012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

カソードアクセス層

低抵抗

ND > 5×1018 cm-3，t = 1.2 μm

GaNエピ構造

u-AlN buffer layer

n+-GaN

n‐-GaN

半絶縁性SiC基板低容量

サファイアよりも熱伝導良好

SI-SiC 400μm

MOCVD 活性層（ショットキー）ND = 1×1017 cm-3，t = 1.4 μm

耐圧 100 V 設計

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92012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

SI-SiC

AlN buffer layern

+‐GaN

n--GaN

デバイス構造

金メッキ

CathodeTi/Al/Ti/Au

Anode Ni/Au 2μm×100 μm

ダイオード断面図

Anode

SI-SiCAlN buffer

n+-GaN

n--GaNCathode

SiO2

Isolation trench

オーミックリセスカソードオーバーラップ

エアブリッジField Plate 構造

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102012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

デバイス作製プロセスフロー

アイソレーションエッチング(ICP)SiCl4 and Cl2 混合ガス

エッチング深さ1.6μm

SiO2堆積(CVD)(100nm TEOS)

オーミック電極 (スパッタ)(Ti/Al/Ti/Au:50/200/40/40 nm）

オーミック化アニール

(N2雰囲気中 850 3分)

ショットキー電極 (スパッタ)(Ni/Au:50/100 nm)

金メッキ配線1.5μm

カソードリセス形成エッチング(ICP)

SiCl4ガス、エッチング深さ1.6μm

ショットキーアニール

(N2雰囲気中 400 10分)

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112012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

ダイオードパターン

パッケージ用ダイオード– マルチフィンガー（1，5，10 finger）– 1 finger：2μm×100μm

評価用 大面積円形ダイオード– 150φ，200φ，300φ

Sパラメータ測定用ダイオード– アノード面積: 1 finger (2μm×100μm)

アノードアノードパッドパッド

カソードカソードパッドパッド

5finger5finger ダイオードダイオード

アノードアノードパッドパッド

カソードカソードパッドパッド

5finger5finger ダイオードダイオード

750μm

500μ

mSパラメータ測定パターン

2μm×100μm

Signal GNDGND

The University of Tokushima

122012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 1 2 3 4Voltage[V]

Cur

rent

[A]

1 finger10 finger

DC-IV特性

ON抵抗 8.26Ω@1 finger

耐圧 約90V FP構造 → 低リーク電流，高耐圧

1 finger diode

-100 -80 -60 -40 -20 010-13

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1 FPなし FPあり FPあり, カソードオーバーラップなし FPあり, 30nm表面処理

Cur

rent

[A]

Voltage [V]

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132012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

Sパラメータ測定，f = 1～30GHz

100μm程度のアノード配線

RF測定：ダイオード2V

スミスチャート上 S11 周波数依存性

Rdiode

Laccess

Raccess

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

2μm*100μm 4μm*100μm 6μm*200μm

1GHz

30GHz

2V

Rdiode

Laccess

Raccess

Rdiode

Laccess

Raccess

ダイオード等価回路

Rdiode

Laccess

Raccess

Rdiode

Laccess

Raccess

ダイオード等価回路

60pH程度のインダクタンス成分

RON = 8.22 Ω

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25 30

Frequency(GHz)

Ｚ11 im

agin

ary

測定値

ωL (L=59pH)

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142012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

RF測定：ダイオード0V，-10V

Sパラメータ測定，f = 1～30GHz

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

0V -10V

1GHz

10GHz

30GHz

-10V

0V

スミスチャート上 S11 周波数依存性

RF測定

活性層 (5.19 Ω)アクセス層 3.03 Ω総ON抵抗 8.22 Ω

各層の抵抗値

buffer

SI- SiC

NiAu

TiAlTiAun+-GaN

n--GaN

SiO2

isolation trench

TiAlTiAu

Au

Au, anode pad AuAu

アクセス層 抵抗

活性層 抵抗

trench isolation

buffer

SI- SiC

NiAu

TiAlTiAun+-GaN

n--GaN

SiO2

isolation trench

TiAlTiAu

Au

Au, anode pad AuAu

アクセス層 抵抗

活性層 抵抗

trench isolation

アクセス層 抵抗

活性層 抵抗

trench isolation

Rdiode

Raccess

C G

ダイオード等価回路

リーク

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152012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

DC，RF測定比較：GaN移動度

DC測定（TEG）

– シート抵抗測定パターン（TLM法）より計算 → RF測定とほぼ一致

RF測定、理論値との比較

– アクセス層 キャリア移動度 190 cm2/Vs– 活性層 キャリア移動度 920 cm2/Vs（単純な1次元モデル）

DC測定 RF測定

活性層 5.20 Ω（計算） 5.19 Ω（計算）

アクセス層 3.06 Ω（TEG） 3.03 Ω総ON抵抗 8.26 Ω 8.22 Ω

各層の抵抗値

面積

活性層厚さ

×××=

μqNR

D；電子電荷

Ｖ法より導出）；不純物濃度（Ｃ

；キャリア移動度

　Ω（ＲＦ測定）

qN

R

D −

=

μ19.5

※赤字が測定値

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162012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

00.020.040.060.08

0.10.120.14

0 1 2 3 4Voltage [V]

Y re

al [S

]

-0.015

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

-30 -20 -10 0

Voltage [V]

Y im

agin

ary

[S]

2.45GHz アドミッタンス バイアス依存性

ゼロバイアス容量 0.36pF

1-finger diode

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172012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

高電圧 C-V 特性（1MHz）

活性層とアクセス層の不純物分布– 境界が0.9μm前後と予測

0.0

2.0x10-8

4.0x10-8

6.0x10-8

8.0x10-8

1.0x10-7

-200 -150 -100 -50 010-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Cap

acitan

ce [

F/cm

2]

Voltage [V]

Reve

rse C

urr

ent

[A]

1フィンガー面積換算約0.16pF @ 0V

大面積円形ダイオードで評価 （Agilent B1505A, 定格3000V, 2A）

current

capacitance

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.21015

1016

1017

1018

1019

1020

1021

Ele

ctr

on C

oncentr

atio

n [

cm

-3]

Depth [μm]

The University of Tokushima

182012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

エッジ容量– 1 finger: 0.36pF– 円形ダイオード（1 finger面積換算）: 0.16pF

エッジ電流– エッジリーク ほぼみられない（アノード周囲長違い）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-20 -15 -10 -5 0 5Voltage [V]

Cap

acita

nce

[pF]

― 1-finger 2.45GHz― 円形型 同面積換算

ダイオードエッジ部 評価

ダイオードエッジ容量、パッドによる寄生容量の増加（0.20pF分）

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192012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

τ= RON×C ：ダイオード面積比較

ON抵抗：アノード面積に対して逆比例して変化しない– アクセス抵抗の増大、大電流による発熱

1フィンガー容量：寄生容量による容量増加– 空乏層の二次元的な拡大による寄生容量（周囲長に大きく依存）

– パッド容量

2μm×100μm 4μm×100μm（面積2倍）

6μm×200μm （面積6倍）

RON 8.22 Ω 5.88 Ω 3.49 ΩC 0.36 pF 0.56 pF 0.98 pFτ 2.89×10-12 3.29×10-12 3.42×10-12

フィンガー構造は有効

測定周波数 2.45GHz

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202012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

RF/DC 変換効率 予測解析

変換効率 理論解析

開発GaNダイオード（10finger ）– RF/DC 理論変換効率 85%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

ダイオード直列抵抗　Rs [Ω]

RF/D

C 変

換効

率 [

％]

10-finger（実装用）

1-finger(Sパラ評価TEG)

CBAPPP

lossdc

dcd +++

=+

=1

1η

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= on

onon

o

bi

s

L

dc

Ron

VV

RR

PLOSS

A s θθ

θπ

tan23

cos2111 2

2,

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= on

on

on

o

bijLs

dc

Roff

VVCRR

PLOSS

B s θθθπ

πω

tancos

12 2

22,

( )onono

bi

o

bi

s

L

dc

diodeon

VV

VV

RR

PLOSS

C θθπ

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= tan1,

0102030405060708090

100

0 5 10 15 20 25

ダイオード容量 Cj [pF]R

F/D

C 変

換効

率 [

％]

10-finger（実装用）

1-finger(Sパラ評価TEG)

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212012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

GaNダイオードを用いた整流回路

マイクロ波電力整流回路（レクテナ）– （GaNダイオードを、樹脂を用いてパッケージング）

30mm

裏面：全面アースアース面（裏面とスルーホール接続）

表面SMAコネクタ

50Ω線路:幅3mm

プラスチック実装ダイオード(SOT)

30mm

裏面：全面アースアース面（裏面とスルーホール接続）

表面SMAコネクタ

50Ω線路:幅3mm

プラスチック実装ダイオード(SOT)

※10 finger

※測定 京都大学

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222012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

負荷130Ωで最大

入力電力 5W，効率 74.4％

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

変換

効率

、反

射率

（％

）

負荷抵抗（Ω)

整流特性/2A-6

6.0W5.0W4.0W3.0W2.0W

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

変換

効率

、反

射率

（％

）

負荷抵抗（Ω)

整流特性/2A-6

6.0W5.0W4.0W3.0W2.0W

マイクロ波整流特性

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232012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

従来レクテナとの比較

従来のレクテナ整流回路（2.45GHz）– ～mW

• GaAs 90％超

• Si 80％超

– W～数10W• 電力分配＆再合成のため、Siダイオード 64個 使用 → 大型回路

• 60％前後

GaNダイオードを用いたレクテナ整流回路– ダイオード1つで、入力電力5W– 効率74.4％

小型回路に！ダイオード１つで（高効率）大電力RF/DC変換！

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242012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

結論

ワイドバンドギャップ半導体GaNを用いた縦型構造 高耐圧マイクロ波電力整流用ダイオードを開発

– 有用性を確認（DCおよびRF測定）

GaNダイオードを用いて、レクテナ整流回路を開発– 小型化、高効率化に成功（大電力RF/DC変換）

マイクロ波無線大電力伝送におけるGaNの優位性を示した

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252012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

The University of Tokushima

262012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

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272012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

C-V特性と不純物濃度分布（1MHz）

不純物濃度： 8～9×1016 cm-3

C0 (V=0での容量)：7.8×10-8 F/cm2

測定周波数 1MHz 直径300μm SiO2なし円形ダイオード

1フィンガーあたり約0.16pF @ 0V

0 0.2 0.4 0.6

Depletion Depth [mm]

Elec

tron

Conc

entra

tion

[cm

-3]

1015

1016

1018

1017CapacitanceConductance

0.0

2.0x10-8

4.0x10-8

6.0x10-8

8.0x10-8

1.0x10-7

-20 -15 -10 -5 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

Cap

acitan

ce [

F/cm

2]

Voltage [V]

Conducta

nce [

S]

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282012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

他ダイオード構造との比較

アノードリセス構造を有するAlGaN/GaN ダイオード– ON電圧、高耐圧

– 2DEGにより、低抵抗

– ゼロバイアスでは大容量、だが、平均値をとると小さい

– 表面準位、界面準位、基板トラップなどの、トラップの影響が顕著

• 交流大振幅では使えない

• 基板トラップは、高耐圧化に良影響

Free-standing GaN基板 ダイオード– 高耐圧、低リーク、低濃度でも低ON抵抗

今回開発したn-GaN 横型ダイオード– 改善の余地あり

– 他では補えない特性あり（交流特性）

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292012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

GaNダイオードからのRF/DC効率予測

GaN schottky diode (NTTATエピ)– Rs = 8Ω 2.4Ω– Vbi = 0.8V– Cj = 0.38pF 4.3pF– Vbreakdown = 80V– 負荷抵抗 RL = 50Ω ※出力32W

5.8GHzならば

今の容量を保ちつつ → フィンガー数増やすか

抵抗を１Ω以下に 面積増やす

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

Rs [Ω]

RF/D

C 変

換効

率 [

％]

59

59.2

59.4

59.6

59.8

60

60.2

60.4

60.6

60.8

61

0 1E-12 2E-12 3E-12 4E-12 5E-12

Cj [F]

RF/D

C 変

換効

率 [

％] 理論解析

理論解析

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302012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

GaNダイオード特性 まとめ

ほぼすべてのパラメータで目標値を達成

目標値測定値

10 finger

測定値

1 finger

耐圧 VB 100 V 90 V （推定） 90 V

ON抵抗 RON 2 Ω 2.10 Ω 8.26 Ω

容量 C 2 pF 3.69 pF 0.36 pF

ON電圧 VON 1.1 V 0.8 V 0.8 V

逆リーク IR 10-5 A 10-6 A （推定） 10-6 A

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312012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

マルチフィンガーダイオードC-V特性

– 1 finger 0.87 pF– 5 finger 2.23 pF– 10 finger 3.69 pF

ダイオード1 finger 真性容量 約0.3～0.4pF

マルチフィンガー用パッド容量 0.5pF

0

1

2

3

4

5

-20 -15 -10 -5 0Voltage [V]

Cap

acita

nce

[pF]

― 10-finger（実装）

― 5-finger（実装）

― 1-finger（実装）

測定周波数 1MHz

ゼロバイアス容量

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322012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

等価回路の説明（ダイオードOFF時）

0V or 逆方向バイアス

アクセス層 抵抗

（横方向抵抗+コンタクト抵抗）

カソードへ

逆バイアスを 0V, -10V , -20V, -40Vと変化

その際の抵抗値と空乏層幅を測定

活性層いっぱいまで空乏層が広がったときの抵抗を計算

アノード

C G

活性層 抵抗

Raccess

C

n-GaN

n＋GaN

Rdiode

Raccess

C G

ダイオード等価回路

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332012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

GaNの移動度と転位密度の関係

引用文献：ワイドバンドギャップ半導体

光電子デバイス

監修：高橋清 氏

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342012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

TLM（Transmission Line Model）測定

3種類のTLMパターン (間隔5μm～25μmで測定)– n‐-GaN層に電極を接触

– n‐-GaN層に電極を接触

– アイソレーションの確認用

リセスオーミック構造は、寄生抵抗を下げるために有効

5μm 10μm 15μm 20μm 25μm

100μm

5μm 10μm 15μm 20μm 25μm

100μm

n‐層

n+層

SI-SiC

n+-GaN

n--GaN

SI-SiC

n+-GaN

SI-SiC

n+-GaN

n--GaN

n+-GaN

n--GaN

n-層に接触n+層に接触

（カソード電極のリセス構造） アイソレーション確認用

n‐層

n+層

SI-SiC

n+-GaN

n--GaN

SI-SiC

n+-GaN

n--GaN

SI-SiC

n+-GaN

SI-SiC

n+-GaN

SI-SiC

n+-GaN

n--GaN

n+-GaN

n--GaN

n-層に接触n+層に接触

（カソード電極のリセス構造） アイソレーション確認用

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352012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

RF容量解析

0.0E+00

5.0E-13

1.0E-12

1.5E-12

2.0E-12

-30 -20 -10 0

voltage[V]

Cap

acitan

ce[F

]

MIS構造は、円形も1fingerも、単位面積あたりの容量は等しい（空乏層容量＠0Vがない）

FP構造は、差がある（エッジ端での容量）

MIS構造

0.0E+00

5.0E-13

1.0E-12

1.5E-12

2.0E-12

-20 -15 -10 -5 0

Voltage(V)

Capa

citance [

F]

mis20*100容量 Cyim3

―円形MIS構造(1MHz)

―1 finger MIS構造(2.45GHz)

―1finger 実装用(1MHz)

―1 finger (2.45GHz)

―円形 1MHz

FPあり構造ダイオード

The University of Tokushima

362012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

エッジ部分の容量解析

Finger-typeだと、エッジの容量は無視できない

C(V) [F] = C0(V) + Cpad + Cedge(L) (V) + Cegde(W) (V)

金属

C0

= CedgeCedge =

dWLC ε=

The University of Tokushima

372012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会

Egde容量 0V

FPあり 2μm×100μm の容量→0.356 pF（円形0.156pF）

– Pad容量 0.038– 絶縁膜容量 0.1 ※SiO2の厚さ100nm、比誘電率3.8

– 2μm側 エッジ容量 → 計算から、0.034– 100μm側 エッジ容量 → 計算から、0.138

1フィンガーあたり、0.1pF程度のエッジ容量！

マルチフィンガータイプはON抵抗を低減できるが

思った以上に容量を増やしてしまう