窒化ガリウムが重要なのは、なぜですか？
窒化ガリウムはシリコンよりも効率的に電子を伝導し、より高い電界に耐えるシリコンよりも効率的に電子を伝導し、より高い電界に耐えることができます。 速度、温度、電力処理において、シリコンの能力を超えており、さまざまな電力変換やRFのアプリケーションにおいて、シリコン・ベースのデバイスに置き換わりつつあります。GaNベースのシステムが、効率を高め、大きさと重さを大幅に削減し、熱特性を向上させる能力は、従来のシリコン市場に置き換えサイクルを生み出し、Lidar（光による検出と距離の測定）やRF包絡線追跡などの新しいアプリケーションを実現可能にします。
GaNはシリコンを置き換えることができますか？
1978年に、シリコン・パワーMOSFETは、低速で成熟したバイポーラ・デバイスのより高速な代替品として発売されました。パワーMOSFETの初期の採用者は、バイポーラでは十分に高速ではなかったアプリケーションでした。その採用の代表的な例は、デスクトップ・コンピュータ用のスイッチング電源であり、そこから、MOSFETは、半導体業界で選択される電力変換デバイスになりました。
この移行のダイナミクスから、新しい電力変換技術の採用率を左右する4つの重要な要素があることが分かりました：
- 重要な新しいアプリケーションを可能にしますか？
- 使いやすいですか？
- ユーザーにとって、非常に費用対効果が高いですか？
- 信頼性が高いですか？
現在、GaNは成熟したパワーMOSFETの代替品として期待される位置にいますが、選択された半導体技術としてマントを脱ぐためには、すべての新しい技術がこのリーダーシップの地位に値する4つの要件を満たさなければなりません。ここで、4つの主要な属性を見て、GaNがそれらに対処する上での立ち位置を見てみましょう。
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ベースのパワー・トランジスタと集積回路の初期の成功は、当初、シリコンと比べてGaNの速度の利点に基づいていました。GaNオン・シリコンのトランジスタは、MOSFETの約10倍、IGBTの約100倍の速度でスイッチングします。4G / LTEの基地局向けのRF包絡線追跡や、自動運転車、ロボット、ドローンのLidar（光による検出と距離の測定）システム、セキュリティ・システムなどのアプリケーションは、GaNの高速スイッチング能力を最大限に活用した最初の量産アプリケーションでした。
GaNトランジスタは、Si MOSFETやIGBTよりも高速であるだけでなく、約1/5〜1/10とはるかに小型です。これによって、衛星やドローンだけでなく、やドローンだけでなく、や医療用電子機器にも多くのアプリケーションが開拓されました。
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と動作が非常に似ているため、電力システムの技術者は、最小限の追加トレーニングで、これまでの設計経験を活用できます。設計技術者の学習曲線を上手く支援できるように、EPCは業界初のGaNトランジスタのテキスト（英語と中国語）：GaN Transistors for Efficient Power Conversion.を発行しました。第2版は、出版社の米J. Wiley＆Sonsによって2015年に発行され、第3版は2019年に発行されました。これらのテキストは、米アマゾンおよびテキストの小売業者を通じて入手できます。DC-DC変換のパワー設計者をさらに支援するため、アプリケーションに焦点を当てたハンドブック2冊と、GaNの使用におけるワイヤレス・パワー伝送システムのハンドブックも入手できます。加えて、世界中の100を超える大学がGaNデバイスで研究を進めており、この技術から最高の性能を引き出す次世代の高度なパワー・システム設計者を育てています。
EPCのGaNトランジスタと集積回路は、シリコン・パワーMOSFETと同様のプロセスを使って製造され、処理工程数がはるかに少なく、GaNデバイスは、シリコンの対応品よりもはるかに小型なため、製造工程ごとに多くのデバイスが生産されます。さらに、低電圧（500 V以下）のGaNトランジスタは、高価なパッケージが不要です。シリコンでは保護するためにこれが必要でした。このパッケージの利点だけで製造コストを半分に削減でき、高い製造歩留まりと小さなデバイス・サイズとの組み合わせによって、EPCのGaNトランジスタのコストは、同等の（ただし、低速で大きな）シリコン・ パワーMOSFETよりも安価になります。
これまでに、GaNトランジスタのいくつかのメーカーが、社内のストレス・テストによる優れた結果を報告しています。EPCは、厳格な信頼性プログラムを確立しています。これには、データシートの限界の間のマージン量を理解すること、さらに重要なことは、本質的な故障メカニズムの理解を確立することであり、そのために故障点まで部品をテストすることが含まれています。固有の故障メカニズム、故障の根本原因、および時間、温度、電気的や機械的なストレスに対するデバイスの動作を知ることによって、より一般的な一連の動作条件にわたって、製品の安全な動作寿命を決定できます。
EPCは、このテスト結果を公開し続けており、フェーズ14の信頼性レポートでは、シリコンのパワー・デバイスでは比類のない1230億時間以上の動作でのフィールド信頼性データを詳しく説明しています。
結論
GaNがシリコンMOSFETを置き換えるために必要な4つの属性が達成されました。
しかし、これはGaNの始まりにすぎません。市場に出ている最新のデバイスでさえ、GaNの理論上の限界で製造した場合に比べて、約300倍大きくなっています。
GaNが電力変換システムの性能に影響を与える最も重要な機会は、電力レベルと信号レベルの両方のデバイスを同じ基板に集積できるという本質的な能力から得られます。EPCは、ユーザーが論理レベルの入力を供給し、高性能の電力変換を行う単一のGaNオン・シリコンのチップ上の完全なシステムを推進することを目標に、2014年からGaN ICを製造してきました。
小型化、高速化、低コスト化、高集積化・・・これが「なぜGaN」の答えです。