GaNって何？　窒化ガリウム（GaN）半導体の説明

GaNオン・シリコンとは：窒化ガリウム技術を理解する

窒化ガリウム（GaN）は、非常に硬く、機械的に安定したIII/V族2元化合物の直接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。

窒化ガリウムは、どのように機能するのでしょうか？

窒化ガリウム（GaN）は、特に高効率パワー・トランジスタや集積回路において、半導体の世界で革命的な存在となっています。しかし、この窒化ガリウム技術は、どのように機能するのでしょうか？

• 2DEGの生成： 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、補償的な2次元電子ガス（2DEG）が誘発されます。この2DEGは、電界が印加されたときに電子を効率的に伝導するために使われます。
• 高効率な伝導： この2DEGは、界面の非常に狭い領域に電子が閉じ込められるため、非常に伝導性があります。この閉じ込めによって、電子の移動度は、歪みのないGaNの約1000 cm2/V·sから、2DEG領域では1500～2000 cm2/V·sに増加します。
• 優れた性能： 窒化ガリウムの高い伝導性によって、同等のシリコン・ソリューションよりも高い破壊強度、より速いスイッチング速度、より高い熱伝導性、より低いオン抵抗を特徴とするトランジスタと集積回路が形成できます。

GaN技術の進化

1. LEDイノベーション

   1990年代初頭、GaNベースのLED（発光ダイオード）は、その効率性と明るさによって照明業界に革命をもたらしました。この画期的な進歩によって、エネルギー効率の高い照明ソリューションが開発され、今では、わたしたちの日常生活のいたるところに存在しています。

2. RFおよびマイクロ波の用途

   GaNの高周波機能によって、無線周波数（RF）およびマイクロ波の用途での使用に最適です。高電力密度、高周波で動作する能力は、無線通信システムの進歩に不可欠です。

3. パワー・エレクトロニクス革命

   近年、GaNは、パワー・エレクトロニクスのゲーム・チェンジャとして登場しました。低オン抵抗や高速スイッチングなどの優れた特性によって、より小型で高効率なパワー・コンバータやモーター駆動回路の開発が可能になりました。これは、民生用電子機器から再生可能エネルギーまで、さまざまな業界に大きな影響を与えます。

GaNの多様なアプリケーション

自動車のエレクトロニクス

GaN技術は、自動車用電子機器の性能、効率、信頼性を大幅に向上させ、より先進的で高効率な車両の開発に貢献します。

高度なコンピューティング

GaN技術は、従来のシリコン・ベースのパワー・エレクトロニクスと比べて、より高い効率、より高い電力密度、サイズと重さの削減を実現することで、機械学習や人工知能などの高度なコンピューティング用途向けのデータセンターの電力変換を改善します。これによって、エネルギー消費が削減され、冷却要件が軽減され、データセンター運営の全体的なコストが削減できます。

ロボットとドローン

GaNベースのモーター駆動は、より高い周波数で動作できるため、ロボットの動作をよりスムーズかつ正確に制御できます。GaN技術によって、より高効率で小型、かつ信頼性の高いモーター駆動が実現でき、ロボット・システムやドローン・システムの性能が向上します。

再生可能エネルギー

GaNベースのパワー・エレクトロニクスは、より高い周波数で動作できるため、太陽エネルギーをより効率的に電気に変換できます。この結果、太陽光発電設備のエネルギー収量が向上し、システム・コストを削減できます。

民生用電子機器

GaN技術は、従来のシリコン・ベースのソリューションと比べて、より高い効率、より小型・軽量、より高速な充電能力を提供することで、民生用電子機器の電力変換を改善します。