電力損失はSi-MOSFETの1/1000に - MOS型パワートランジスタを開発

ノベルクリスタルテクノロジーは、タムラ製作所と共同で酸化ガリウム(Ga₂O₃)ホモエピタキシャル膜を用いたトレンチMOS型パワートランジスタの動作実証に成功したと発表した。同デバイスが実用化されると、従来シリコン(Si)が用いられてきた家電製品から産業機器まで、さまざまな電気機器の省エネルギー効果が期待できるという。

同成果は、応用物理学会誌「Applied physics express」(オンライン版)に掲載された。

Ga₂O₃トレンチMOS型パワートランジスタの模式図 (出所:ノベルクリスタルテクノロジーWebサイト)

ダイオード、トランジスタなどのパワーデバイスは、携帯電話の充電器から自動車、ロケットなど、さまざまな電気機器に組み込まれ、電圧・電流制御を行っている。電気エネルギーの消費を抑えるために、パワーデバイスの低抵抗化(低損失化)が求められており、従来用いられてきたSiから、シリコンカーバイド(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの、より低損失デバイスを作れる材料の開発が進められている。

Ga₂O₃は、SiCやGaNと比べ、大きなバンドギャップエネルギーを有すことから、低損失なパワーデバイスの実現が期待されている材料の1つ。さらに、同材は融液成長法による単結晶育成が可能であるため、高品質で大型の単結晶基板を、SiCやGaNと比較して短時間・低コストに製造することができることも特徴だ。

これまで両社では、Ga₂O₃単結晶基板およびホモエピタキシャル膜を開発し、それらを用いて低損失トレンチMOS型ショットキーバリアダイオードの開発に成功していた。しかし、ダイオードだけでは応用先が限定され、パワーデバイスの普及への妨げになっていた。

Ga₂O₃トレンチMOS型トランジスタの(a)断面模式図と(b)断面電子顕微鏡像 (出所:ノベルクリスタルテクノロジーWebサイト)

両社は今回、トレンチMOS型ショットキーバリアダイオード開発で培った技術を転用することで、トレンチMOS型パワートランジスタを開発することに成功した。試作したデバイスは、3.7mΩcm²という低損失な動作を実現しており、今後のデバイス構造や製造プロセスの改良により、0.5mΩcm²未満まで損失低減が可能であるという。また、オン・オフ比は3桁程度とやや小さいが、これは、ゲート/ソース間の絶縁性能の低さが原因であり、絶縁膜の形成方法の変更により改善できるとのことだ。加えて、同デバイスはノーマリーオン動作しているが、チャネル幅を狭くすることでノーマリーオフ動作させることができるという。