What is Gallium Nitride (GaN)

GaNって何?

Gallium Nitride GaN

窒化ガリウム(GaN) は、半導体パワー・デバイス、RF部品、発光ダイオード(LED)の製造に使われる材料です。GaNは、電力変換、RF、アナログの各用途におけるシリコン半導体の置き換え技術となる能力を実証しました。

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。

Inefficient vacuum tubes

シリコン・トランジスタとエレクトロニクスの時代

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。

真空管と同様に、シリコン・パワーMOSFETは今、一貫して低下するコストで、より優れた性能を提供するという道の終わりに達しました。幸いにも、無限に速いスイッチング速度で、電気抵抗がなく、低コストの理想的なスイッチへの探求は減速せず、そして、高性能の電力変換トランジスタと集積回路を形成するための新しい基盤材料が登場しました。

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窒化ガリウム半導体の台頭

電気的性能を次のレベルに引き上げ、ムーアの法則の予測を再び活性化させるための有力な候補は、窒化ガリウムです。GaNは、シリコンよりも低コストで製造することが、今、十分に確立されていると同時に、シリコンよりも1000倍以上も効率的に電子を伝導する能力があります。シリコンは、燃料不足ですが、高性能の新しい半導体材料が出現しています――GaNの躍進です。

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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 vs silicon cost comparison

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:

  • オン抵抗が低いので、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
  • 容量が小さいため、デバイスの充放電時の損失が小さい
  • 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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