The University of Tokushima GaNショットキーダイオードを用いた...

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



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



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



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



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



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



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)



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



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



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)



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



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]



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


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)



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


活性層抵抗

trench isolation


活性層抵抗

trench isolation

Rdiode

Raccess

C G


リーク



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



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



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]



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）



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



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)



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



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



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！



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



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]



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）



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



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



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）



測定周波数 1MHz

ゼロバイアス容量



等価回路の説明（ダイオードOFF時）

0V or 逆方向バイアス


（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




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



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



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



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=



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

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