半導体デバイス測定に関する翻訳で、current collapse(電流コラプス)という言葉が出てくる(例えば、B1505Aパワーデバイス・アナライザ/カーブトレーサのp2)。
近年、二酸化炭素の排出削減による地球温暖化の緩和や原子力発電所停止に伴う電力不足の解消のために、電車、電気自動車、太陽光発電などの大電力の制御に使用されている電力変換器(インバータ)の高効率化(低損失化)の要求が高まっている。このような電力変換器に使用されているパワー半導体としては、Si(シリコン)を材料にしたIGBTがある。さらなる、高出力、高効率、高耐圧動作が可能な半導体デバイスとして、GaN(窒化ガリウム)が注目されている。
GaNパワー半導体は、ワイドバンドギャップ半導体と呼ばれ、Si半導体に比べてバンドギャップ幅が約3倍広いので(価電子帯から伝導帯への熱励起が生じ難いので)、高温でもデバイス性能が劣化せず、冷却装置が不要/簡素化できる可能性がある。また、GaNとAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)を組み合わせてヘテロ構造を形成すると、AlGaNの格子定数がGaNのものより小さいために、ヘテロ接合界面で格子定数を合わせようとして歪みが発生し圧電効果によりピエゾ分極(分極電荷)が生じ、2次元電子ガス層が誘起される。この2次元電子ガス層とは、移動度の高い自由電子が極めて薄い層に広がっている状態で、これにより、オン抵抗が低く(高効率)、高速動作(高周波動作)が可能になる。
一方、AlGaN/GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor、高電子移動度トランジスタ)には、高電圧を印加するとドレイン電流が減少する(高電圧で動作させるとオン抵抗が大きくなる)という問題がある。これが、電流コラプスと呼ばれる現象である。電流コラプスが生じると高効率という利点が損なわれる。電流コラプスは、2次元電子ガス層の電子が高い電圧で加速されると、ポテンシャル障壁を超えてAlGaNの表面欠陥準位に捕獲され、AlGaN層が負に帯電することにより、その直下の2次元電子ガスのチャネル内の電子が空乏化され(電気伝導を担う電子が遠ざけられ)、その結果、チャネル抵抗が高くなりドレイン電流が減少することが原因と考えられている。
GaN半導体については、以下を参照。
トランジスタ入門の4.GaNヘテロ接合電界効果トランジスタ
2次元電子ガス層の形成については、以下を参照。
福井大学審査学位論文 [博士(工学)] 窒化物半導体トランジスタの高温動作に関する研究(平成26年3月 畑野 舞子)の2-2-1 AlGaN/GaNヘテロ接合
電流コラプスについては、以下を参照。
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