Realization of high-efficiency GaN rectifier diode with 0V on-voltage and high breakdown voltage for energy harvesting

实现0V导通电压和高击穿电压的高效GaN整流二极管用于能量收集

• 批准号: 22K04227
• 负责人: 岩田 直高
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Toyota Technological Institute
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04227/
• 关键词: GaN(窒化ガリウム); 環境発電(エナジーハーベスティング); 低オン電圧; 高耐圧; 整流用ダイオード; GaN; ゲーテッドアノードダイオード; 高電子移動度トランジスタ; スーパー接合; 環境発電

持続可能な省エネルギー社会の実現に向けて、環境中にあるエネルギーの利用が注目されている。たとえば多数のIoT端末への電力供給は、電波や振動などを電気エネルギーに変換して端末ごとに貯蔵できることが望まれる。しかし、微弱な高周波信号や振動をピエゾ素子で発電した場合の大きく振幅が変わる交替電圧の利用は、Siを用いたダイオードでは困難である。極めて低い電圧からパルス状の高い電圧までを、低い損失で整流できる素子の実現が望まれる。本研究の目的は、低電圧から高電圧までの電気エネルギーを高効率で整流する環境発電向けのGaNヘテロ構造ダイオードの創製である。研究対象の素子は、0Vのオン電圧と高耐圧特性を兼ね備えたp型GaNゲートを有するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)と、すべての正と負の空間電荷を厳密に平衡させた高耐圧スーパー接合構造を組み合わせた独自のゲーテッドアノード構造が特徴である。さらに、より高電流化を図るために空間電荷濃度を平衡させたドナーとアクセプタの追加ドーピングを行っても高耐圧特性が同時に得られることを示し、環境発電用の高効率なGaN整流ダイオードを創製する。2022年度は、AlGaN層上のp型GaN層を2領域に分けて、異なる厚さを有するp型GaNゲート構造を検討した。すなわち、カソードから遠いp-GaN領域(ゲートⅠ)でHEMTのしきい電圧を0V付近に制御して、カソードに近いp型GaN領域(ゲートⅡ)では、p型GaN層を薄層化することで2次元電子ガス濃度を高め、高電流特性を目論んだ。その結果、ゲートⅠ長4μmの素子で0.1Vの低オン電圧と1A/mmを超える高電流特性を獲得した。

为了实现可持续的节能社会，环境中的能源的利用正在引起人们的关注。例如，为了向大量物联网设备供电，希望能够将无线电波和振动转换为电能并将其存储在每个设备中。然而，当使用Si的二极管的压电元件产生微弱的高频信号或振动时，很难利用振幅变化很大的交流电压。期望实现一种能够以低损耗从极低电压整流至脉冲高电压的元件。这项研究的目的是创建一种用于能量收集的 GaN 异质结构二极管，可高效地将电能从低压整流为高压。正在研究的器件是具有 p 型 GaN 栅极的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT)，它结合了 0V 导通电压和高击穿电压特性，并严格平衡所有正负空间电荷，具有独特的栅极。阳极结构与高压超结结构相结合。此外，为了实现更高的电流，我们表明，即使我们进行额外的施主和受主掺杂以平衡空间电荷浓度，也可以同时获得高击穿电压特性，从而创建高效的 GaN 能量整流二极管。收获做。在2022财年，我们将AlGaN层上的p型GaN层分为两个区域，并考虑了不同厚度的p型GaN栅极结构。也就是说，远离阴极（栅极I）的p型GaN区域中HEMT阈值电压控制在0V左右，而靠近阴极（栅极I）的p型GaN区域中p型GaN层变薄。 II).我们的目标是增加二维电子气浓度并实现高电流特性。结果，栅极I长度为4μm的器件实现了0.1V的低导通电压和超过1A/mm的高电流特性。