電流コラプスとは
電流コラプスとは、GaN HEMTで電子がトラップに捕まり、二次元電子ガスの電子濃度が減って動的オン抵抗が上がる現象です。 GaN HEMTに固有の課題として知られています。データシートに載っているオン抵抗より実機で測った値が大きく出るのはこのためで、高い電圧でスイッチングした直後だけ、電流の通り道から電子が奪われています。素子の評価を分けるのは、動的オン抵抗が長く使っても安定しているかどうかです。
高い電界が、電子をバリア表面とチャネル下へ押し込む
Section titled “高い電界が、電子をバリア表面とチャネル下へ押し込む”スイッチング時にドレイン・ソース間へ高い電圧がかかると高い電界が生じ、ホットエレクトロンが発生しやすくなります1。その一部がポテンシャル障壁を越え、AlGaNバリア層の表面近傍やGaNチャネル層の下部にトラップされます。ロームはこの現象をGaN HEMT固有のものに分類しています。
捕まった電子は固定された負電荷になり、2DEGの電子を押しのけます。チャネル内の電子濃度が減った分が、動的オン抵抗の増加として観測されます。
オンに切り替えた直後がいちばん高く、電圧が高いほど跳ね上がる
Section titled “オンに切り替えた直後がいちばん高く、電圧が高いほど跳ね上がる”動的オン抵抗は、一般にオフ状態からオン状態に切り替わった直後に最も顕著です。オフの間に高い電圧で捕まった電子が、オンへ移った瞬間はまだ捕まったままだからです。時間が経つと電子が放出され、抵抗は静的な値へ戻ります。
ロームは、ドレイン電圧が高くなるほどホットエレクトロンが多くのエネルギーを得て密度も増え、電子トラップがより顕著に表れるとしています1。高い電圧で使うほど、跳ね上がりは大きくなります。
増えた抵抗は導通損失になり、トラップは経年で増える可能性もある
Section titled “増えた抵抗は導通損失になり、トラップは経年で増える可能性もある”動的オン抵抗の増加は、そのまま導通損失の増加です。大きなストレス下での動作中にこれが増えると、故障につながる可能性が大きくなります。損失は熱になり、温度が上がればさらに条件が厳しくなるため、一度始まると悪循環になりやすい形です。
この電子トラップは経年劣化により増加する可能性もあります。ロームは寿命の考え方をまとめた資料で、電子トラップによる動的オン抵抗の増加を故障メカニズムとして扱い1、動的オン抵抗が長期に渡り安定していることを重要としています。出荷時の値だけでは足りず、使い続けたあとの値まで確かめる必要があります。
測り方はJEDECのJEP182で標準化されつつある
Section titled “測り方はJEDECのJEP182で標準化されつつある”JEDECのJEP182「Dynamic ON-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT based Power Conversion Devices」が、動的オン抵抗を測る模擬回路と試験方法を推奨しています。imecは10 μsオン・90 μsオフのスイッチングで測り、25℃から150℃の全温度域で、650 Vまで動的オン抵抗の分散は20%未満でした2。imecは、この結果をオフからオンへ切り替えたあとのオン状態がほとんど変わらないことを意味するとしています。切り替え後の変化は、GaNの技術に典型的な課題です。
オン抵抗は、電圧・温度・スイッチングの周期をそろえて初めて素子どうしを比べられる値です。
抑える手は、成膜の条件と電界の分散にある
Section titled “抑える手は、成膜の条件と電界の分散にある”imecは同じ開発で、洗浄と絶縁膜の成膜条件を最適化し、フィールドプレートの設計を詳しく検討しました2。フィールドプレートは電極の形で電界を分散させる、性能を高めるための一般的な手法で、耐圧を上げる目的にも使われます。20%未満という結果は、これらの取り組みの成果として示されています。
高い電圧で使うほど電力変換の効率は上がりますが、ホットエレクトロンのエネルギーと密度も増え、捕まる電子が増えます。素子を厚く作れば電界は緩みますが、オン抵抗が上がります。トラップそのものを減らすには膜の質を上げる必要があり、工程の余裕が狭くなります。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”電流コラプスとは何ですか？
GaN HEMTで電子がトラップに捕まり、二次元電子ガスの電子濃度が減って動的オン抵抗が上がる現象です。ロームはGaN HEMT固有の現象に分類しています。
どこで電子が捕まりますか？
AlGaNバリア層の表面近傍と、GaNチャネル層の下部です。捕まった電子は固定された負電荷になり、チャネルの電子を減らします。
なぜ電子が飛び出しますか？
ドレイン・ソース間に高い電圧が加わると高い電界が生じ、ホットエレクトロンが発生しやすくなるためです。その一部がポテンシャル障壁を越えて捕まります。
いつ最も大きく出ますか？
オフ状態からオン状態に切り替わった直後です。オフの間に捕まった電子がまだ残っているためで、時間が経つと抵抗は静的な値へ戻ります。
電圧との関係はどうですか？
ドレイン電圧が高くなるほどホットエレクトロンが多くのエネルギーを得て密度も増えるため、トラップがより顕著に表れます。
何が問題になりますか？
動的オン抵抗の増加は導通損失の増加になり、大きなストレス下での動作中に増えると故障につながる可能性が高まります。
経年で悪化しますか？
この電子トラップは経年劣化により増加する可能性があります。ロームは動的オン抵抗が長期に渡り安定していることを重要としており、長期の安定性を確かめる試験が要ります。
比較・違いを学ぶ
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