中島　昭　研究員｜NEDO助成若手研究者

次世代パワー集積回路の実現に向けた低抵抗Pチャネル型GaN素子の開発

分極接合という新しい設計コンセプトにより、従来の限界を超えた低抵抗のPチャネル型GaN素子の実現が期待できます。最終的な応用例としては、GaNプラットホーム上においてNチャネル型トランジスタやダイオードなどと組み合わせたワンチップの次世代電力変換器システムを想定しています。これにより、変換器システムの大幅な低コスト化、小型化、低損失化、信頼性の向上、および高性能化を目指しています。

研究機関・所属	産業技術総合研究所　エネルギー技術研究部門
氏名・職名	中島　昭　研究員
研究テーマ名	次世代パワー集積回路の実現に向けた低抵抗Pチャネル型GaN素子の開発
応用想定分野	本研究で開発するGaNワンチップ次世代電力変換器を内蔵した民生機器向け応用（家庭用太陽光発電器、家庭用畜電池、その他の家庭用電気機器等）を想定

技術紹介

　GaN（窒化ガリウム）はバンドギャップが広く絶縁破壊電界強度が高いことから、次世代のパワー半導体素子としての期待が大きく、世界中で研究・開発が進められています。これまではNチャネル型GaN素子の開発が主に行われており、ディスクリート素子として一部で市販化が始まっています。さらにPチャネル型素子が実現できれば、システム全体の大幅な低コスト化・小型化が可能になると考えられます。しかし、Mg不純物ドープによる従来の方法ではホールの活性化率が1％と低く、デバイス応用に十分な移動度・キャリア濃度を得ることが非常に困難で、ホールをキャリアとするPチャネル型GaN素子で低抵抗の素子が得られませんでした。近年本研究者たちは、GaNの特長である分極を利用したPN接合（分極接合）により高濃度のホール（2次元ホールガス）を得ることに世界で初めて成功しました。分極によるホールの活性化率は原理的に100％であるため、従来の限界を超えた移動度・キャリア濃度が得られています。既にこの分極接合のN側（2次元電子ガス）を使って世界トップレベルの低損失GaN素子の開発に成功しています。この成果をさらに進め、本研究では分極接合技術のP側（2次元ホールガス）を利用した低抵抗Pチャネル型GaNトランジスタの研究開発に着手したところです。
　この低抵抗Pチャネル型GaNトランジスタが実現できれば、Nチャネル型GaNトランジスタと組み合わせて大きな駆動力を持ったGaNパワー集積回路（IC）が実現可能となります。
　つまり、高速、大電力駆動、小型、低コストのワンチップ化したGaNパワー集積回路となり、このパワー集積回路をプラットホームとする次世代ワンチップ電力変換器が実現できます。

技術の特徴

（１）: 本研究者らが分極接合技術と名付けた新しい方法を使って低抵抗Pチャネル型GaNトランジスタの実現を目指しています。
（２）: このPチャネル型GaNトランジスタが完成すれば、オールGaNによる大電力のワンチップ変換器システムが実現できます。

従来技術との比較

特許出願状況

１）: 特開2007-134607（公開日2007年5月31日）、〔発明の名称〕「半導体素子」、〔発明者〕中島昭、安達和広、清水三聡、奥村元。
２）: 特開2011-082331（公開日2011年4月21日）、〔発明の名称〕「半導体素子」、〔発明者〕中島昭、大橋弘通。

研究者からのメッセージ

　我々は、2020年の実用化を目標にGaNプラットホームを用いたワンチップ変換器システムの研究開発を行っています。これにより飛躍的な低コスト化、小型化、低損失化、信頼性の向上、および高機能化といった総合的なシステム革新を目指しております。本プロジェクトでは、その実現に向けた基礎的な検討を行います。本成果を基に、将来的には企業との幅広い連携を行わせて頂きたいと考えております。

参考：

"Two-dimensional hole gas with increased density and mobility," Semiconductor Today, 24 Dec. 2010.: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2010/DEC/SHEFFIELD_241210.htm
"Polarization junctions increase nitride transistor breakdown voltage," Semiconductor Today, 21 March 2011.: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2011/MAR/SHEFFIELD_210311.html

発表論文：