What is Gallium Nitride (GaN)

GaNって何?

Gallium Nitride GaN

GaNオン・シリコンって何ですか?

窒化ガリウムGaN)は、非常に硬く、機械的に安定したワイド・バンドギャップ半導体です。より高い絶縁破壊強度、より速いスイッチング速度、より高い熱伝導率、より低いオン抵抗によって、GaNに基づくパワー・デバイスは、シリコン・ベースのデバイスよりも非常に優れています。窒化ガリウム結晶は、サファイア、炭化ケイ素(SiC)、シリコン(Si)などのさまざまな基板上で成長させることができます。シリコン上にGaNのエピタキシャル層を成長させることによって、既存のシリコン製造インフラを使って、コストのかかる特殊な生産工場の必要性をなくし、すぐに利用できる大口径シリコン・ウエハーを低コストで活用できます。

GaNは、半導体パワー・デバイスだけでなく、RF部品、発光ダイオード(LED)の製造に使われています。GaNは、電力変換、RF、および、アナログの各アプリケーションにおけるシリコン半導体の置き換え技術となる能力が実証されています。

GaN HEMTって何ですか?

高電子移動度トランジスタHEMT)は、バンド・ギャップの異なる2つの材料間の接合によって生成される2次元電子ガス(2DEG)を使うトランジスタです。窒化ガリウム(GaN)ベースのHEMTは、同等のシリコン・ベースのソリューションよりも高速なスイッチング速度、高い熱伝導率、低いオン抵抗という特徴があります。これらの特徴によって、回路内でGaNトランジスタと集積回路を使えば、効率が高まり、サイズが小型化でき、さまざまな電力変換システムのコストを削減できます。

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。

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。

Surface Mount Device Packages

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。

48 V DC Systems

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

窒化ガリウムは、どのように動作しますか?

窒化ガリウム(GaN)は、高効率のパワー・トランジスタや集積回路に使われるワイド・バンドギャップ半導体です。GaN結晶の上に窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)の薄い層を成長させることによって、界面に歪みが生じ、補償する2次元電子ガス2DEG)が誘起されます。この2DEGは、電界がそれに加えられているとき、電子を効率的に伝導するために使われます。この2DEGは、界面の非常に小さな領域に電子が閉じ込められているため、導電性が高くなっています。この閉じ込めによって、電子の移動度が、歪みのないGaNの約1000 cm2 / V・sから、2DEG領域の1500〜2000 cm2 / V・sに増加します。この高い移動度によって、同等のシリコン・ソリューションよりも高い絶縁破壊強度、速いスイッチング速度、高い熱伝導率、低いオン抵抗を特徴とするトランジスタと集積回路が製造されます。

GaNの時代が進行中

GaN材料によって可能になったトランジスタとICの性能向上に伴い、今、革新的なパワー設計技術者がGaNの特性を引き出す時が来ました。

  • 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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