What is Gallium Nitride (GaN)

GaNって何?

Inefficient vacuum tube

窒化ガリウム窒化ガリウム(GaN)は、半導体パワー・デバイスだけでなく、RF部品や発光ダイオード(LED)の生産に使うことができる材料です。GaNは、電力変換、RF、アナログといった用途において、シリコン半導体を置き換える技術になる可能性が実証されています。

100年以上も前のエレクトロニクス時代の夜明け以来、電源設計エンジニアは、加工されていない電気エネルギーを、制御された有用な電子の流れに素早く、効率的に変換する理想的なスイッチを求め続けています。最初は、真空管が登場しましたが、効率が良くありませんでした。それが発生する熱をみれば明らかです。さらに、サイズが大きいこととコストが高いことに加え、最終的な利用方法に制限がありました。次に、その後半の50年には、トランジスタが広く普及しました。サイズが小さいことと、より高い効率によって、トランジスタは「聖杯」として出現し、急速に真空管に取って代わり、真空管技術では達成できない巨大な新市場を創造しました。

シリコン・トランジスタとエレクトロニクスの時代

Old fashioned silicon transistors

シリコンは、すぐに半導体トランジスタ材料の選択肢になりました。基本的に優れた電気的特性を備えているだけでなく、真空管に比べて、はるかに安価に製造できたからです。シリコン・トランジスタ、そして、それに続く集積回路の隆盛が、1970年代、1980年代を通じて続きました。「ムーアの法則」―― 約18カ月ごとにトランジスタの性能が2倍になり、コストが下がるという法則通りでした。高性能化と、消費者にうれしい低コスト化の両方を実現したことによって、これに同期した絶え間ない新製品の洪水を生み出しました。そして、電力変換では、シリコン・ベースのパワーMOSFETがこの成長の中核となりました。

The shrinking chip

真空管と同様に、シリコンのパワーMOSFETは現在、絶え間ないコスト低下と共に、より良い性能を提供するという道の終点に達してきています。幸いなことに、際限なく速いスイッチング速度、電気抵抗なし、より低コストという理想的なスイッチへの訴求は減速していません。そして、高性能な電力変換トランジスタや集積回路を構築するための新しい基本材料が出現しています。

窒化ガリウム半導体の台頭

電気的特性を次のレベルへと高め、ムーアの法則の勢いを再活性化する最有力候補は、窒化ガリウムです。電子の導通性が高いGaNの能力は、シリコンよりも1000倍も高効率で、同時に現在、十分に確立されているシリコンよりも低いコストで製造できます。シリコンはガス欠に陥っており、新たな、より高性能な半導体材料が出現しています―― GaNの登場です。

GaN vs silicon cost comparison

幸いにも、GaNデバイスは、現在、従来のシリコン半導体を製造している同じ工場で標準的なシリコン製造手順を使って製造できるので、GaNデバイスを製造するためのコストは、MOSFETデバイスを製造するコストよりも本質的に低くなり、この結果、得られるデバイスは、同じ機能で、はるかに小型です。個々のデバイスは、シリコン・デバイスよりも非常に小さいので、ウエハー1枚に対して、より多くのGaNデバイスを製造することができます。したがって、GaNデバイスは、シリコンの対応品よりも常に製造コストが低いという状況になります。 GaN技術が向上するにつれて、コストの差は、さらに大きくなります。

GaNの時代が始まっています

GaN材料によって可能となったトランジスタやICの性能の向上に伴って、今、GaNの属性を活用するための革新的な電源設計エンジニアの出番です:

  • オン抵抗が低いため、導通損失が小さい
  • デバイスが高速なので、スイッチング損失が小さい
  • デバイスを充放電するとき、容量が小さいので、損失も小さくなる
  • 回路を駆動するために必要な電力が小さい
  • デバイスが小さいので、プリント回路基板上の占有スペースが小さい
  • より低いコスト

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