PRESS RELEASE (技術)
2009年6月24日
株式会社富士通研究所
世界初! 電源装置向け窒化ガリウムHEMTを開発
～待機時の通電遮断と通電時オン電流の高密度化の両立で省電力化を実現～
本技術の詳細は、6月22日から24日、米国ペンシルベニア州立大学で開催されている国際会議「Device Research Conference 2009 (DRC 2009)」で発表いたしました。
開発の背景
近年、地球環境保全を重視した技術開発が重要となってきており、富士通研究所でも、お客様の環境負荷低減を支援する富士通グループのプロジェクト「Green Policy Innovation(注5)」の一環として、省エネ化に向けた研究開発を進めています。なかでもIT機器や家電、自動車に搭載される電子機器の消費電力削減はCO2削減に直結するため、業界においても注目度の高いテーマとなっています。電子機器全体において、電源装置の熱として失われる電力（以下、電力損失）は、30％以上を占めています。発生した熱の対策には、冷却装置も必要となり消費電力のさらなる増大を招きます。
電源装置（図1）は、家庭用コンセントなどから供給される交流電力を、電子機器が動作するために必要となる安定した直流電力に変換します。供給される交流電力は不安定なため、まず電圧の安定化が行われた後、電圧を降圧し、最後に直流電力へ変換されます。電圧降圧回路では、トランジスタを用いて通電状態と遮断状態の切り替えを高速に行うことで生成する高周波の交流電力を利用しています。従来、電源装置にはシリコンのトランジスタが多く利用されていますが、シリコンのトランジスタでは通電状態における電力損失（オン損失(注6)）と、通電状態と遮断状態を切り替える時の電力損失（スイッチング損失(注7)）が大きいため、これらを合わせると、電源の電力損失のうちトランジスタに関わる損失は3分の1以上を占めています。そのため、電力損失の低い新しいトランジスタや回路の開発が活発に行われています。
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オン損失の低減には高耐圧(注8)材料のトランジスタの利用が効果的です。高耐圧材料のトランジスタは、電極間距離を短くできるため電子が流れる距離が短くなり通電時のオン損失が低減できます。高耐圧のトランジスタとして、近年、窒化ガリウムHEMTが注目されています。窒化ガリウムHEMTは通電時のオン損失をシリコンのトランジスタに比べて5分の1以下に低減でき、さらに、高速動作の特性に優れているためスイッチング損失も100分の1以下に低減できます。
課題
PC、家電、自動車などの電源装置の用途には、ゲート電極に電圧をかけない待機状態で電流を完全に遮断する機能が求められます。従来の窒化ガリウムHEMTは、待機状態で負のゲート電圧をかける必要がありましたが、昨年、富士通研究所では、無線通信装置の増幅器用途で、待機状態での通電を遮断できる独自の三層キャップ層構造（n型窒化アルミニウム層をn型窒化ガリウム層で挟んだ構造）の窒化ガリウムHEMT（図2）を開発しました。しかし通電状態と遮断状態を切り替えるためにゲート電極にかける電圧（以下、オン電圧）が +0.5 ボルト（以下、V）程度であるため、数百Vのドレイン電圧のかかる電源用途で一般的に求められるオン電圧の+2～+4 Vを満たすことができませんでした。また、実用的な電源装置として利用するにはオン電流密度として単位ミリメートルあたり600ミリアンペア（以下、mA/mm）以上が必要でした。
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開発した技術
富士通研究所独自の三層キャップ構造の窒化ガリウムHEMTに加えて、今回、以下の2つの技術を適用した新しい窒化ガリウムHEMTを開発しました。（図3）
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- ゲート電極直下部分のみ、正確に掘り込む技術を開発しました。窒化ガリウム電子走行層部分へダメージを与えることなく掘り込んだ部分にn型窒化アルミニウムガリウム層をわずかに残すことで、オン電圧を+2 Vよりも高くして、待機時の完全な遮断性能と通電時の高速性能を確保しました。
- ゲート電極構造に原子レベルの平坦性をもつ酸化膜を用いた絶縁ゲート構造を採用しました。通電時にゲート電極へ走行電子が流れ込むゲートリーク電流を抑制することで、ゲート電極に正の電圧をかけることが可能となり、通電時のオン電流密度を向上させました。
効果
今回開発したトランジスタ（図3）のオン電圧は電源装置に適用が容易な+3 Vを示し、かつオン電流密度も829 mA/mmと従来（図2の構造）よりも2倍となる高い電流値を達成しました(図4)。今回開発したトランジスタは、オン電圧+2 V以上で待機時の通電遮断を実現するトランジスタでは世界最高のオン電流密度を示しており、電源用途で必要とされる性能を満たした、世界初の窒化ガリウムHEMTとなります(図5)。
今回開発したトランジスタを電源装置に採用することで、電源装置の電力損失を従来のシリコンのトランジスタを使用した場合に比べて3分の1以下にすることができます。これにより、国内のデータセンターの全サーバに適用した場合、サーバの発熱量低減による空調の省エネ効果も含めて、データセンターの消費電力を12％低減、日本全体で年間33万トンのCO2削減の効果(注9)が期待できます。
さらに、今回開発したトランジスタは高周波動作が可能となるため電源装置の小型化も実現します。従来の電源装置では動作周波数が低いため困難だったコイルや変圧器の小型化が、トランジスタの高速動作により可能になります。ノートパソコンなどのACアダプターに適用した場合、10分の1程度に小型化できると考えられます。また、データセンターなどのサーバの電源部分が小型化されることで、省スペース化にも貢献できます。
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今後
今回開発した高耐圧窒化ガリウムトランジスタ技術の実用化を進め、2011年ごろまでに電源装置への適用を目指します。
以上
注釈
- 注1 株式会社富士通研究所：
- 代表取締役社長 村野和雄、本社 神奈川県川崎市。
- 注2 窒化ガリウム：
- ワイドバンドギャップ半導体（半導体結晶中の電子が存在できないエネルギー帯の大きな半導体）の一つで、シリコン(Si)やガリウムヒ素(GaAs)など従来の半導体材料に比べ、電圧による破壊に強いという特長がある。
- 注3 高電子移動度トランジスタ（HEMT：High Electron Mobility Transistor）：
- 1979年に富士通研究所の三村高志(現、富士通研究所フェロー)が発明した、高速・低雑音性にすぐれた化合物半導体によるトランジスタ。現在、衛星放送用受信機や携帯電話機、GPSを利用したナビゲーションシステム、広帯域無線アクセスシステムなど、IT社会を支える基盤技術として広く使用されている。
- 注4 オン電流：
- 通電状態のトランジスタに流れるドレイン電流。このオン電流が低い（オン抵抗が高い）とオン損失が大きくなり、電力損失が増加する。
- 注5 Green Policy Innovation：
- 2007年11月から富士通グループが取り組む、「OF IT」「BY IT」を柱としたお客様の環境負荷低減に貢献するプロジェクト。
- 注6 オン損失：
- トランジスタが通電状態での電力損失。トランジスタの通電状態での抵抗(オン抵抗)に起因する。
- 注7 スイッチング損失：
- トランジスタが通電状態（オン状態）から遮断状態（オフ状態）に切り替わる時の電力損失。スイッチングスピードが遅いと電力損失は大きくなる。
- 注8 耐圧：
- ゲート電極とドレイン電極の間に印加することのできる最大電圧。耐圧以上の電圧を印加すると半導体は破壊する。
- 注9 データセンターの消費電力を12％低減、日本全体で33万トンのCO2削減の効果：
- データセンター内で、電源内トランジスタに今回開発した窒化ガリウムHEMTを使用した場合、サーバの消費電力低減効果は8%、冷却に関わる消費電力低減効果は4%が見込まれ、データセンター全体で12％の消費電力低減が可能となる。日本全体でのデータセンター電力消費量は年間77.2億kWh （総務省「地球温暖化問題への対応に向けたICT政策に関する研究会平成20年4月報告書」）であり、その12%の削減は、CO2換算で年間33万トンに相当する。
関連リンク
本件に関するお問い合わせ
株式会社富士通研究所
基盤技術研究所 先端デバイス研究部
電話： 046-250-8243（直通）
E-mail： gan-power-hemt@ml.labs.fujitsu.com
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