Vol.2 アクティブデバイスモデル開発研究の現状

第10回 GaN HEMTエンハンスメント型デバイスの開発について（１）

はじめに

前回は，ASM-HEMTモデルとMVSGモデルの標準的なパラメータ抽出手順と，実験デバイスを使用した両モデルのモデルパラメータ抽出を行い，シミュレーション結果を比較し，両モデルの特徴を考察しました．
今回は，AlGaN/GaN HEMTを高速・高電力なスイッチング電源回路に使用するための，エンハンスメント型デバイスについての技術を見てみます．

高速・高電力スイッチ回路への適用

第5回の“GaN HEMTデバイスモデリングの必要性”で述べたように，現在一般的に開発されているAlGaN/GaN HEMTデバイスは，ディプレッション型（ゲートが０ボルト時にオン状態であるタイプのFET）であるため，スイッチ回路設計において使いにくいという問題があります．
GaN HEMTでエンハンスメント型を実現するためには，いくつかの方法がありますが，本シリーズ記事では①MOSFETのようにゲート絶縁膜を生成してチャネルをコントロールする技術 [1-7] ②ゲートにP型層を生成してホールを注入しチャネル電子を集める技術 [8-12] を言及します．なお，今後断りのない限りN型デバイスを取り上げて説明します．本稿では，①のデバイスについてその構造とモデル開発例を紹介します．

MISゲート構造を用いたAlN/GaN MIS-HEMTとモデル

図1．AlGaN/GaN HEMTの構造簡易図（a）ディプレッション型　（b）MISエンハンスメント型

エンハンスメント型GaN-HEMTが，多く用いられているディプレッション型のGaN-HEMTの構造（図１．(a)）と大きく違っているのは，ゲート構造です．図1．(b)はゲートがMIS（Metal-Insulator-Semiconductor）構造になるように，酸化膜を2-D電子ガスチャネルの間に入れて，ゲート電圧によってチャネルをオン・オフできるようにしてあります．

図２．図１のゲート部分拡大図

図３．ゲート容量の等価回路

ゲート部分を拡大すると図２のようになります．ゲート絶縁膜は２層にして誘電率を細かく調整できるようにしています．ここでは実例として，このゲート絶縁膜によって大きく影響する物理式としてゲート容量，実行移動度，しきい値電圧についてモデル式を導出してみます．

ゲート容量のモデル

ゲート容量の等価回路を図３に示します．これはC1, C2の直列接続になります．トータルの絶縁膜容量，Cfm，を図中の記号を用いて表すと，

式(2)のようになります．これにショットキー接合によるエネルギー障壁の容量Cpが直列に接続されます．ACシミュレーションにおいては，そのコンダクタンスGpが影響します．絶縁膜容量の影響はキャリア移動度に影響するので，物理式もディプレッション型のGaN-HEMTと異なり，例えば以下のように導出できます [4-6]．

電子移動度のモデル

実効電子移動度, μeff, は2-D電子ガスの移動度に関連しますが，これは低電界移動度, μ0.にも影響されます． μeff はゲート電界とソース・フィールドプレートに抑制され 同時に実行チャネル長，Leff ，によって変調されます [4-6]．すると，

表面電位, μs, は，ドレイン・ソース表面電位, ψds, と速度係数, θsat, を使ってMOSFETに似た形で表されます．

ゲート電圧による移動度変調係数, UGate, も，MOSFETのモデルを応用して以下のように記述できます．

また，図１中には省略されていますが，第７回から第９回までに言及したソース・フィールドプレート（SFP）による移動度劣化係数, USFP, はSFPの幅によって正規化されて以下のようになります．

実効チャネル長による移動度変調, Uleff, は以下のようになります.

ここでUSFP, UP, LP はフィッティング・パラメータです.

しきい値電圧のモデル

MOSFETの場合とは違って，ゲート直下のチャネル領域は2-D電子ガスの領域に比べて小さいため，ドレイン電流の増減に及ぼす影響は小さくなっています．実際，しきい値電圧, Vth, のゲート長・幅依存はMOSFETに比べて弱くなっています．多項式よりVth はVds = 0の時のしきい値電圧, VTO，を使って次のように表せます [4-6]．

ここでWeff, Leff は実効チャネル幅・長となります. WDEP, LDEPはフィッティング・パラメータです.

既存GaN-HEMTモデルの改造

これまで第５回から第９回までに紹介した，Advanced SPICE Model for HEMTs（ASM-HEMT），MIT Virtual Source GaN HEMT Model（MVSG），Angelov GaN-HEMT Model（Angelov）のVerilog-Aソースコードを改造し，今回のモデル式を入れ込むことはそれほど難しくありません．

ゲート容量についての変数は，”cg”という内部変数で定義されているので，既存のルーチンをオプションとして上記の式をはめ込めばよいでしょう．オプションとしてモデル式が切り替わるようにするために，スイッチパラメータ，例えば，”CGMOD”というようなパラメータを定義して整数０，１で切り替わるようにします．その他の新規パラメータも実数パラメータとして定義することで比較的簡単に作成できます．ε1, ε2を比誘電率として内部で定数定義し，T1, T2がモデルパラメータになります．
電子移動度，しきい値電圧のモデル式も同様に入れ込むことができます．

まとめ

今回は，主に高速・高耐圧スイッチング回路に使用する，エンハンスメント型AlGaN/GaN HEMTデバイスを取り上げました．その一つとして，MOSFETのようにゲート絶縁膜を生成してチャネルをコントロールする技術を用いた，MIS-HEMT構造デバイスとその動作を紹介しました．また，MISによって直接影響するモデル式を導出してみました．
次回はMIS-HEMT構造デバイスのモデル化について，さらに検討します．

参考文献

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