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

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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。