研究 & 開発

エレクトロニクスの世界では、権力闘争が繰り広げられている。 より速く、より効率的な窒化ガリウム半導体は、すでにさまざまなアプリケーションで従来のシリコンMOSFETを駆逐している。 しかし、GaNは本当に王座につく準備ができているのだろうか？

GaN にできないことはないのか ( 出典: Public Domain / Unsplash )

窒化ガリウム (GaN) とは？

Gallium nitride is a direct bandgap semiconductor material used to manufacture Semiconductor devices such as transistor and diodes. この高性能化合物は、発光ダイオード (LED) の重要なコンポーネントとして、1990年代に初めてパワーエレクトロニクス市場に登場しました。 GaN は 3.2 eV という特に広いバンドギャップを持ち、非常に高い電圧を処理し、高温で動作することができます。

光電子デバイスから高周波無線通信まで、幅広い用途に使用することができ、この高効率で強力な半導体材料の新しい用途が常に見つかっています。

現在の GaN の用途は以下のとおりです。

• 発光ダイオード (LED) などのレーザーおよびフォトニクス アプリケーション

• 太陽光発電システム用の太陽電池

• 放射線を利用したもの
• 。人工衛星用高耐久性トランジスタ

• RF電力増幅器などの高周波部品

• ワイヤレス電力伝送。 e.携帯電話、ラップトップ、ゲーム コンソール コントローラ、心臓ポンプ、その他の医療用ワイヤレス充電器など

• データコム アプリケーション用 DC-DC コンバータ、サーバー ファームや集中通信センターなど

LiDar (light detection and ranging) 、例. レーザーで距離を測定する自律走行車のデバイス

• Imaging and Sensing、マイクロ波およびテラヘルツ（ThZ）デバイスの電力増幅器など

GaN vs. silicon

GaN が普及する前は、半導体の製造に最も広く用いられていた材料はシリコンだった。 シリコンMOSFET（金属-酸化膜-シリコン電界効果トランジスタ）の発明は、コンピューティングに革命をもたらし、デジタル時代への道を開いたのである。 そして今、シリコンは数十年の支配を経て、ピークを迎えたように見える。 窒化ガリウムの専門家である GaN Systems 社によると、「シリコン MOSFET をどれだけ改善できるか、どれだけ電力効率を上げられるか、理論的な限界に達しつつある」そうです。 GaN とシリコンを比較する場合、まずバンドギャップから始めるのがよいでしょう。 シリコンのバンドギャップが1.12eVであるのに対し、GaNは3.4eVであり、GaNのバンドギャップは1.12eVに過ぎない。 つまり、GaN半導体はシリコンMOSFETよりも高電圧を維持し、高温に耐えることができるのだ。 また、GaN半導体は電流の流れが速いため、ハードスイッチング用途で使用した場合、効率が高く、スイッチング損失が少なくなる。 また、シリコンMOSFETよりも静電容量が小さいため、充放電時の電力損失が少なくなる。 また、GaN半導体は回路基板上で占めるスペースが小さいため、より小型の電子機器の製造が可能になる。 シリコンの上に窒化ガリウムの結晶を成長させることができるため、既存のシリコン製造設備で生産でき、コストのかかる専用の生産拠点が必要ない。 窒化ガリウム結晶はシリコンよりもまだ高価ですが、GaN半導体は他の部品のサイズやコストを下げることで、システム全体の生産コストを下げます。

GaN半導体の優れた速度と効率は、気候変動を緩和するために必要な環境汚染規制にも適しています。 しかし、さまざまな産業で広く使われているにもかかわらず、まだマスターしていないアプリケーションがいくつかあります。

GaN 半導体デバイスは、たとえば光電や高周波のアプリケーションに欠かせないものになっていますが、GaN トランジスタはまだシリコン MOSFET ほど多用途ではありません。 その理由は、GaNトランジスタのほとんどが空乏モード、つまりノーマリーオン型であることにある。 Power Electronics誌によると、「デプレッションモードトランジスタは、電力変換器の起動時にまずパワーデバイスに負のバイアスを印加しなければ短絡が生じるため不便である」という。 また、電子回路には一般的にディプレッションモードとエンハンスメントモードの両方のトランジスタが必要であるという事実もある。 しかし、この問題に対する回避策はすでに開発されており、GaN半導体がさらに多くの製品や産業に登場するのは時間の問題であることは間違いない

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