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徳島大学The University of Tokushima
The University of Tokushima
Department of Electrical and Electronic Engineering
Ohno Laboratory
12012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
GaNショットキーダイオードを用いたマイクロ波電力整流回路の研究
2010年02月17日(水)
電気電子創生工学コース 大野(泰)研究室
高 橋 健 介
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22012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
本論文の構成
第1章 序論(ワイヤレス電力伝送・研究目的)
第2章 デバイス開発(設計・試作)
第3章 DC測定・解析
第4章 AC測定・解析(RF解析)
第5章 デバイス応用とレクテナ整流回路測定
第6章 結論
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32012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
ワイヤレス電力伝送と整流用デバイス
マイクロ波を用いた 大電力 伝送– 建物内ワイヤレス電力配電
– 宇宙太陽光発電(SSPS)
– 電気機器の非接触充電
受電整流回路(レクテナ: Rectifying Antenna)– 大電力
– 小型
– 高効率 RF/DC変換
整流回路内のダイオード特性建物内の無線電力配電システム
重要
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42012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
マイクロ波電力整流用ダイオードの必要性
大電力マイクロ波を全波整流できるダイオード– 2.45GHz,大電力整流
ダイオード損失を防ぐ(変換効率低下の主原因)
高耐圧(100V程度)
時定数τ (ON抵抗と容量の積)を最小
順方向大電流密度
低ON電圧
低リーク電流
高周波動作,耐熱性
RF-AC大振幅
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52012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
時定数τ (ON抵抗×容量)
ワイドバンドギャップGaN(窒化ガリウム)が有利!– τは絶縁破壊電界の2乗で小さくなる
1 10 100 1000
Breakdown Voltage [V]
τ =
RO
N ×
C
SiGaAsGaN
Si GaAs GaN
10-11
10-12
10-14
10-13
10-15
ワイドバンドギャップの優位性
24
C
BON E
VCRμ
==τ
大電力
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62012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
本研究の目的
マイクロ波大電力整流用ショットキーダイオードを開発– GaN,縦型構造
– DC,AC,小信号測定
– RF測定(Sパラメータ)
マイクロ波大電力整流回路(レクテナ)の高性能化– 小型、高効率化
ON抵抗、アクセス層抵抗、容量を評価
有用性を確認
応用
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72012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
ダイオード特性目標値
回路シミュレーションから決定
目標値他パラメータとの関係性(各々1%以下が要求)
使用周波数 f 2.45 GHz f << 1 / 2πτ
電力 POUT 10 W
耐圧 VB 100 V
ON抵抗 RON 2 Ω RON << RL (負荷抵抗)
容量 C 2 pF
ON電圧 VON 1.1 V VON << VB (耐圧)
逆リーク IR 10-5 A IR << IF (順方向最大電流)
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82012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
カソードアクセス層
低抵抗
ND > 5×1018 cm-3,t = 1.2 μm
GaNエピ構造
u-AlN buffer layer
n+-GaN
n‐-GaN
半絶縁性SiC基板低容量
サファイアよりも熱伝導良好
SI-SiC 400μm
MOCVD 活性層(ショットキー)ND = 1×1017 cm-3,t = 1.4 μm
耐圧 100 V 設計
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92012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
SI-SiC
AlN buffer layern
+‐GaN
n--GaN
デバイス構造
金メッキ
CathodeTi/Al/Ti/Au
Anode Ni/Au 2μm×100 μm
ダイオード断面図
Anode
SI-SiCAlN buffer
n+-GaN
n--GaNCathode
SiO2
Isolation trench
オーミックリセスカソードオーバーラップ
エアブリッジField Plate 構造
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102012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
デバイス作製プロセスフロー
アイソレーションエッチング(ICP)SiCl4 and Cl2 混合ガス
エッチング深さ1.6μm
SiO2堆積(CVD)(100nm TEOS)
オーミック電極 (スパッタ)(Ti/Al/Ti/Au:50/200/40/40 nm)
オーミック化アニール
(N2雰囲気中 850 3分)
ショットキー電極 (スパッタ)(Ni/Au:50/100 nm)
金メッキ配線1.5μm
カソードリセス形成エッチング(ICP)
SiCl4ガス、エッチング深さ1.6μm
ショットキーアニール
(N2雰囲気中 400 10分)
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112012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
ダイオードパターン
パッケージ用ダイオード– マルチフィンガー(1,5,10 finger)– 1 finger:2μm×100μm
評価用 大面積円形ダイオード– 150φ,200φ,300φ
Sパラメータ測定用ダイオード– アノード面積: 1 finger (2μm×100μm)
アノードアノードパッドパッド
カソードカソードパッドパッド
5finger5finger ダイオードダイオード
アノードアノードパッドパッド
カソードカソードパッドパッド
5finger5finger ダイオードダイオード
750μm
500μ
mSパラメータ測定パターン
2μm×100μm
Signal GNDGND
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122012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0 1 2 3 4Voltage[V]
Cur
rent
[A]
1 finger10 finger
DC-IV特性
ON抵抗 8.26Ω@1 finger
耐圧 約90V FP構造 → 低リーク電流,高耐圧
1 finger diode
-100 -80 -60 -40 -20 010-13
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1 FPなし FPあり FPあり, カソードオーバーラップなし FPあり, 30nm表面処理
Cur
rent
[A]
Voltage [V]
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132012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
Sパラメータ測定,f = 1~30GHz
100μm程度のアノード配線
RF測定:ダイオード2V
スミスチャート上 S11 周波数依存性
Rdiode
Laccess
Raccess
-1
-0.5
0
0.5
1
-1 -0.5 0 0.5 1
2μm*100μm 4μm*100μm 6μm*200μm
1GHz
30GHz
2V
Rdiode
Laccess
Raccess
Rdiode
Laccess
Raccess
ダイオード等価回路
Rdiode
Laccess
Raccess
Rdiode
Laccess
Raccess
ダイオード等価回路
60pH程度のインダクタンス成分
RON = 8.22 Ω
0
5
10
15
0 5 10 15 20 25 30
Frequency(GHz)
Z11 im
agin
ary
測定値
ωL (L=59pH)
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142012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
RF測定:ダイオード0V,-10V
Sパラメータ測定,f = 1~30GHz
-1
-0.5
0
0.5
1
-1 -0.5 0 0.5 1
0V -10V
1GHz
10GHz
30GHz
-10V
0V
スミスチャート上 S11 周波数依存性
RF測定
活性層 (5.19 Ω)アクセス層 3.03 Ω総ON抵抗 8.22 Ω
各層の抵抗値
buffer
SI- SiC
NiAu
TiAlTiAun+-GaN
n--GaN
SiO2
isolation trench
TiAlTiAu
Au
Au, anode pad AuAu
アクセス層 抵抗
活性層 抵抗
trench isolation
buffer
SI- SiC
NiAu
TiAlTiAun+-GaN
n--GaN
SiO2
isolation trench
TiAlTiAu
Au
Au, anode pad AuAu
アクセス層 抵抗
活性層 抵抗
trench isolation
アクセス層 抵抗
活性層 抵抗
trench isolation
Rdiode
Raccess
C G
ダイオード等価回路
リーク
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152012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
DC,RF測定比較:GaN移動度
DC測定(TEG)
– シート抵抗測定パターン(TLM法)より計算 → RF測定とほぼ一致
RF測定、理論値との比較
– アクセス層 キャリア移動度 190 cm2/Vs– 活性層 キャリア移動度 920 cm2/Vs(単純な1次元モデル)
DC測定 RF測定
活性層 5.20 Ω(計算) 5.19 Ω(計算)
アクセス層 3.06 Ω(TEG) 3.03 Ω総ON抵抗 8.26 Ω 8.22 Ω
各層の抵抗値
面積
活性層厚さ
×××=
μqNR
D;電子電荷
V法より導出);不純物濃度(C
;キャリア移動度
Ω(RF測定)
qN
R
D −
=
μ19.5
※赤字が測定値
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162012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
00.020.040.060.08
0.10.120.14
0 1 2 3 4Voltage [V]
Y re
al [S
]
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
-30 -20 -10 0
Voltage [V]
Y im
agin
ary
[S]
2.45GHz アドミッタンス バイアス依存性
ゼロバイアス容量 0.36pF
1-finger diode
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172012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
高電圧 C-V 特性(1MHz)
活性層とアクセス層の不純物分布– 境界が0.9μm前後と予測
0.0
2.0x10-8
4.0x10-8
6.0x10-8
8.0x10-8
1.0x10-7
-200 -150 -100 -50 010-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
Cap
acitan
ce [
F/cm
2]
Voltage [V]
Reve
rse C
urr
ent
[A]
1フィンガー面積換算約0.16pF @ 0V
大面積円形ダイオードで評価 (Agilent B1505A, 定格3000V, 2A)
current
capacitance
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.21015
1016
1017
1018
1019
1020
1021
Ele
ctr
on C
oncentr
atio
n [
cm
-3]
Depth [μm]
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182012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
エッジ容量– 1 finger: 0.36pF– 円形ダイオード(1 finger面積換算): 0.16pF
エッジ電流– エッジリーク ほぼみられない(アノード周囲長違い)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-20 -15 -10 -5 0 5Voltage [V]
Cap
acita
nce
[pF]
― 1-finger 2.45GHz― 円形型 同面積換算
ダイオードエッジ部 評価
ダイオードエッジ容量、パッドによる寄生容量の増加(0.20pF分)
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192012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
τ= RON×C :ダイオード面積比較
ON抵抗:アノード面積に対して逆比例して変化しない– アクセス抵抗の増大、大電流による発熱
1フィンガー容量:寄生容量による容量増加– 空乏層の二次元的な拡大による寄生容量(周囲長に大きく依存)
– パッド容量
2μm×100μm 4μm×100μm(面積2倍)
6μm×200μm (面積6倍)
RON 8.22 Ω 5.88 Ω 3.49 ΩC 0.36 pF 0.56 pF 0.98 pFτ 2.89×10-12 3.29×10-12 3.42×10-12
フィンガー構造は有効
測定周波数 2.45GHz
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202012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
RF/DC 変換効率 予測解析
変換効率 理論解析
開発GaNダイオード(10finger )– RF/DC 理論変換効率 85%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
ダイオード直列抵抗 Rs [Ω]
RF/D
C 変
換効
率 [
%]
10-finger(実装用)
1-finger(Sパラ評価TEG)
CBAPPP
lossdc
dcd +++
=+
=1
1η
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= on
onon
o
bi
s
L
dc
Ron
VV
RR
PLOSS
A s θθ
θπ
tan23
cos2111 2
2,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= on
on
on
o
bijLs
dc
Roff
VVCRR
PLOSS
B s θθθπ
πω
tancos
12 2
22,
( )onono
bi
o
bi
s
L
dc
diodeon
VV
VV
RR
PLOSS
C θθπ
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= tan1,
0102030405060708090
100
0 5 10 15 20 25
ダイオード容量 Cj [pF]R
F/D
C 変
換効
率 [
%]
10-finger(実装用)
1-finger(Sパラ評価TEG)
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212012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
GaNダイオードを用いた整流回路
マイクロ波電力整流回路(レクテナ)– (GaNダイオードを、樹脂を用いてパッケージング)
30mm
裏面:全面アースアース面(裏面とスルーホール接続)
表面SMAコネクタ
50Ω線路:幅3mm
プラスチック実装ダイオード(SOT)
30mm
裏面:全面アースアース面(裏面とスルーホール接続)
表面SMAコネクタ
50Ω線路:幅3mm
プラスチック実装ダイオード(SOT)
※10 finger
※測定 京都大学
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222012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
負荷130Ωで最大
入力電力 5W,効率 74.4%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
変換
効率
、反
射率
(%
)
負荷抵抗(Ω)
整流特性/2A-6
6.0W5.0W4.0W3.0W2.0W
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
変換
効率
、反
射率
(%
)
負荷抵抗(Ω)
整流特性/2A-6
6.0W5.0W4.0W3.0W2.0W
マイクロ波整流特性
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232012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
従来レクテナとの比較
従来のレクテナ整流回路(2.45GHz)– ~mW
• GaAs 90%超
• Si 80%超
– W~数10W• 電力分配&再合成のため、Siダイオード 64個 使用 → 大型回路
• 60%前後
GaNダイオードを用いたレクテナ整流回路– ダイオード1つで、入力電力5W– 効率74.4%
小型回路に!ダイオード1つで(高効率)大電力RF/DC変換!
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242012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
結論
ワイドバンドギャップ半導体GaNを用いた縦型構造 高耐圧マイクロ波電力整流用ダイオードを開発
– 有用性を確認(DCおよびRF測定)
GaNダイオードを用いて、レクテナ整流回路を開発– 小型化、高効率化に成功(大電力RF/DC変換)
マイクロ波無線大電力伝送におけるGaNの優位性を示した
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252012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
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262012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
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272012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
C-V特性と不純物濃度分布(1MHz)
不純物濃度: 8~9×1016 cm-3
C0 (V=0での容量):7.8×10-8 F/cm2
測定周波数 1MHz 直径300μm SiO2なし円形ダイオード
1フィンガーあたり約0.16pF @ 0V
0 0.2 0.4 0.6
Depletion Depth [mm]
Elec
tron
Conc
entra
tion
[cm
-3]
1015
1016
1018
1017CapacitanceConductance
0.0
2.0x10-8
4.0x10-8
6.0x10-8
8.0x10-8
1.0x10-7
-20 -15 -10 -5 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
Cap
acitan
ce [
F/cm
2]
Voltage [V]
Conducta
nce [
S]
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282012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
他ダイオード構造との比較
アノードリセス構造を有するAlGaN/GaN ダイオード– ON電圧、高耐圧
– 2DEGにより、低抵抗
– ゼロバイアスでは大容量、だが、平均値をとると小さい
– 表面準位、界面準位、基板トラップなどの、トラップの影響が顕著
• 交流大振幅では使えない
• 基板トラップは、高耐圧化に良影響
Free-standing GaN基板 ダイオード– 高耐圧、低リーク、低濃度でも低ON抵抗
今回開発したn-GaN 横型ダイオード– 改善の余地あり
– 他では補えない特性あり(交流特性)
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292012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
GaNダイオードからのRF/DC効率予測
GaN schottky diode (NTTATエピ)– Rs = 8Ω 2.4Ω– Vbi = 0.8V– Cj = 0.38pF 4.3pF– Vbreakdown = 80V– 負荷抵抗 RL = 50Ω ※出力32W
5.8GHzならば
今の容量を保ちつつ → フィンガー数増やすか
抵抗を1Ω以下に 面積増やす
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
Rs [Ω]
RF/D
C 変
換効
率 [
%]
59
59.2
59.4
59.6
59.8
60
60.2
60.4
60.6
60.8
61
0 1E-12 2E-12 3E-12 4E-12 5E-12
Cj [F]
RF/D
C 変
換効
率 [
%] 理論解析
理論解析
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302012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
GaNダイオード特性 まとめ
ほぼすべてのパラメータで目標値を達成
目標値測定値
10 finger
測定値
1 finger
耐圧 VB 100 V 90 V (推定) 90 V
ON抵抗 RON 2 Ω 2.10 Ω 8.26 Ω
容量 C 2 pF 3.69 pF 0.36 pF
ON電圧 VON 1.1 V 0.8 V 0.8 V
逆リーク IR 10-5 A 10-6 A (推定) 10-6 A
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312012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
マルチフィンガーダイオードC-V特性
– 1 finger 0.87 pF– 5 finger 2.23 pF– 10 finger 3.69 pF
ダイオード1 finger 真性容量 約0.3~0.4pF
マルチフィンガー用パッド容量 0.5pF
0
1
2
3
4
5
-20 -15 -10 -5 0Voltage [V]
Cap
acita
nce
[pF]
― 10-finger(実装)
― 5-finger(実装)
― 1-finger(実装)
測定周波数 1MHz
ゼロバイアス容量
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322012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
等価回路の説明(ダイオードOFF時)
0V or 逆方向バイアス
アクセス層 抵抗
(横方向抵抗+コンタクト抵抗)
カソードへ
逆バイアスを 0V, -10V , -20V, -40Vと変化
その際の抵抗値と空乏層幅を測定
活性層いっぱいまで空乏層が広がったときの抵抗を計算
アノード
C G
活性層 抵抗
Raccess
C
n-GaN
n+GaN
Rdiode
Raccess
C G
ダイオード等価回路
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332012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
GaNの移動度と転位密度の関係
引用文献:ワイドバンドギャップ半導体
光電子デバイス
監修:高橋清 氏
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342012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
TLM(Transmission Line Model)測定
3種類のTLMパターン (間隔5μm~25μmで測定)– n‐-GaN層に電極を接触
– n‐-GaN層に電極を接触
– アイソレーションの確認用
リセスオーミック構造は、寄生抵抗を下げるために有効
5μm 10μm 15μm 20μm 25μm
100μm
5μm 10μm 15μm 20μm 25μm
100μm
n‐層
n+層
SI-SiC
n+-GaN
n--GaN
SI-SiC
n+-GaN
SI-SiC
n+-GaN
n--GaN
n+-GaN
n--GaN
n-層に接触n+層に接触
(カソード電極のリセス構造) アイソレーション確認用
n‐層
n+層
SI-SiC
n+-GaN
n--GaN
SI-SiC
n+-GaN
n--GaN
SI-SiC
n+-GaN
SI-SiC
n+-GaN
SI-SiC
n+-GaN
n--GaN
n+-GaN
n--GaN
n-層に接触n+層に接触
(カソード電極のリセス構造) アイソレーション確認用
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352012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
RF容量解析
0.0E+00
5.0E-13
1.0E-12
1.5E-12
2.0E-12
-30 -20 -10 0
voltage[V]
Cap
acitan
ce[F
]
MIS構造は、円形も1fingerも、単位面積あたりの容量は等しい(空乏層容量@0Vがない)
FP構造は、差がある(エッジ端での容量)
MIS構造
0.0E+00
5.0E-13
1.0E-12
1.5E-12
2.0E-12
-20 -15 -10 -5 0
Voltage(V)
Capa
citance [
F]
mis20*100容量 Cyim3
―円形MIS構造(1MHz)
―1 finger MIS構造(2.45GHz)
―1finger 実装用(1MHz)
―1 finger (2.45GHz)
―円形 1MHz
FPあり構造ダイオード
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362012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
エッジ部分の容量解析
Finger-typeだと、エッジの容量は無視できない
C(V) [F] = C0(V) + Cpad + Cedge(L) (V) + Cegde(W) (V)
金属
C0
= CedgeCedge =
dWLC ε=
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372012年9月16日(日) 平成21年度 修士学位論文 公聴会
Egde容量 0V
FPあり 2μm×100μm の容量→0.356 pF(円形0.156pF)
– Pad容量 0.038– 絶縁膜容量 0.1 ※SiO2の厚さ100nm、比誘電率3.8
– 2μm側 エッジ容量 → 計算から、0.034– 100μm側 エッジ容量 → 計算から、0.138
1フィンガーあたり、0.1pF程度のエッジ容量!
マルチフィンガータイプはON抵抗を低減できるが
思った以上に容量を増やしてしまう