Why use GaN?

なぜGaN?

35年前、シリコン・パワーMOSFETは、半導体産業において、電力変換デバイスとしてのバイポーラ・トランジスタを置き換える選択肢として破壊的な技術でした。そして120億米ドルの市場が出現しました。この移行のダイナミズムは、新しい電力変換技術の採用率を左右する4つの重要な要因があることを教えてくれました。すなわち、

  1. それは、重要な新しいアプリケーションを可能にしますか?
  2. それは、使いやすいですか?
  3. それは、ユーザーにとって「非常に」費用対効果が高いですか?
  4. それは、信頼性が高いですか?

窒化ガリウム(GaN)技術は、MOSFETを大幅に上回る置き換え技術として導入されて以来、ここ数年の間に多くのことが起こっています。GaNは、成熟したパワーMOSFETの置き換え品としての地位を想定されていますが、半導体技術の選択肢としてマントを脱ぐために、すべての新しい技術は、主導的地位に適うために4つの要因を満たさなければなりません。では、4つの主要な属性を見て、GaNが、それらに対応する立場にいることを見てみましょう。

それは、重要な新しいアプリケーションを可能にしますか?

GaNのトランジスタや集積回路は、最高のシリコンMOSFETよりも大幅に高速化し、より小型になっています。今日、市販のeGaN® FETとICは、シリコンの最先端品よりも5〜50倍優れています。性能のこの大きな飛躍は、GaN技術を利用するまで不可能だったいくつかの新しいアプリケーションの実現につながっています。しかし、eGaN FET、実際には、いくつかのメーカーのどのGaNトランジスタも、まだGaNの理論的な性能限界に数桁のオーダーで届いていません。GaNとシリコンとの性能の差を広げるだけで、新しいアプリケーションが可能になり、最終市場全体に展開し続ければ、学習曲線が先に進みます。

それは、使いやすいですか?

GaNトランジスタ(特にeGaN FET)は、成熟したパワーMOSFETの動作と非常に似ているので、電源システムのエンジニアは、最小限の追加のトレーニングで自分の設計経験を応用することができます。設計エンジニアの学習曲線を高めることを支援するために、EPCは、窒化ガリウム・デバイスとそのアプリケーションについて、業界を教育する主導者としての地位を確立しています。EPCは、業界で初めてGaNトランジスタの教科書(英語と中国語)『 GaN Transistors for Efficient Power Conversion.』を出版しました。第2版は、米国の出版社J. Wiley社から2015年に出版され、米アマゾン社や教科書の小売業者を通じて入手可能です。最近では、GaNを使うDC-DC変換ワイヤレス・パワー伝送システムの電源設計者を支援するために、この2つのアプリケーションに焦点を当てたハンドブックを発行しています。 EPCは、GaN技術を最大限に活用するために、トレーニングされ高度に熟練した次世代の電源システム設計者のための基礎を築くために、世界中の60以上の大学と協力しています。

それは、ユーザーにとって「非常に」費用対効果が高いですか?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETSEPCのGaNトランジスタと集積回路は、シリコンのパワーMOSFETと同様のプロセスを使って製造されますが、MOSFETよりもずっと少ない処理工程で済み、GaNデバイスは、シリコンの対応品よりもはるかに小型なので、1回の製造工程でより多くのデバイスを生産できます。加えて、低耐圧(500 V以下)のGaNトランジスタは、高価なパッケージを必要としません

それは、信頼性が高いですか?

現在までに、GaNトランジスタのメーカーのなかには、社内のストレス・テストの優れた結果を報告しているメーカーがあります。EPCは、信頼性レポートの結果を公表し続けています。そのフェーズ8のレポート(2016年7月公開)では、800万デバイス時間のストレス下で不具合がなかったことを示しています。

eGaN FET reliability after 6 years and 25 billion hours in the field

信頼性レポートのフェーズ72016年3月公表)では、6年間にわたって、170億時間、フィールドで部品を追跡した結果を報告しました。GaN FETは、チップスケールなので、パッケージ封止された半導体に共通の故障モードを生じないため、10億デバイス時間ごとの故障が0.24件という驚くべき成果を達成しました。eGaN FETは、MOSFETが使われる任意のアプリケーションに適していることは間違いありません。

結論

シリコンMOSFETを置き換えるGaNに対する4つの必要な属性が達成されています。スイッチング速度、小さいサイズ、競争力のあるコスト、および高い信頼性は、電力変換用途において、シリコンMOSFETを置き換えることが可能となる「ウイニング・エッジ」をGaNトランジスタに与えます。同様の分析は、同じことがGaN技術で作成されたパワーICやアナログ集積回路に対して、すぐに真となることを示しています。おそらく、3〜5年で、同じことがデジタル集積回路でも真となるでしょう。 GaNは、比較的新しい技術であり、学習曲線を高める旅はまだ始まったばかりです・・・そして、これが「なぜGaN?」です。