シリコン・パワーMOSFETは、40年以上にわたって、低電圧および中電圧の電源において最も重要なデバイスであり続けてきました。使いやすさ、十分確立された製造エコシステム、予測しやすい性能といった利点から、民生用電子機器や通信インフラから、産業用電源、車載システムまで、あらゆる分野で最適な選択肢となってきました。プレーナ構造からトレンチ構造やスーパージャンクション構造への移行など、長年にわたって実施されてきたアーキテクチャの改良によって、オン抵抗は着実に低減され、電圧能力は維持されています。

ただし、シリコンMOSFET技術は、基本的な物理的限界に近づいています。現代の電子機器は、より高い効率、より高い電力密度、より高速な動的性能を必要とするため、ワイド・バンドギャップ半導体、特に窒化ガリウム（GaN）が低電圧領域における自然な後継となりつつあります。GaNは、パワー・デバイスの動作を原子レベルで変革し、新たな電力変換アーキテクチャを可能にし、システム全体の動作方法を変革しています。

シリコンMOSFETの物理的限界

シリコンMOSFETの性能は、導通損失とスイッチング損失の間のよく知られたトレードオフによって制約されます。低いオン抵抗R_DS(on)を実現するには通常、デバイス面積を大きくしなければなりませんが、この結果、ゲート電荷Q_gや出力容量C_ossなどの寄生容量が増加します。容量の増加と遷移速度の低下とのトレードオフは、シリコンの特性、特に比較的低い臨界電界に起因します。シリコンは、高い電界に耐えられないため、電圧を遮断するにはデバイスを大きくする必要があり、これが直接的に容量を増加させます。このため、スイッチング周波数が高くなるにつれてMOSFETの効率が低下するので、コンバータを低い周波数で動作させることになります。数10年にわたって、スイッチング周波数を実用的な範囲内に抑えながら、導通損失とスイッチング損失のバランスをとる必要性が、パワー・エレクトロニクスの設計を形作ってきました。

オン抵抗とブレークダウン電圧の関係

MOSFETなどの単極性デバイスでは、オン抵抗とブレークダウン電圧の関係は、基本的に半導体材料の特性によって決まります。ドリフト領域の特定のオン抵抗は、次のように近似できます：

R_DS(on) = 4*V_BR² / (ε₀ ε_r μ_n E_crit³)

ここで、V_BRはブレークダウン電圧、μ_nは電子の移動度、ε_rは比誘電率、E_critは材料の臨界電界です。

この関係性から、臨界電界が支配的な役割を果たしていることが明らかになります。R_DS(on)はE_critの3乗に反比例するため、より高い電界に耐えられる材料は、同じ電圧定格で抵抗値を大幅に低減できます。

シリコンは、比較的低い臨界電界（約0.23 MV/cm）です。このため、より高い電圧を遮断するように設計されたデバイスは、厚く、低濃度にドープされたドリフト領域を必要とし、抵抗とチップ面積が大幅に大きくなります。これが、数10年にわたってシリコンのパワー・エレクトロニクスを形作ってきた基本的なトレードオフです。

2DEG：GaN HEMTの中核

GaNデバイスは、窒化アルミニウム・ガリウム（AlGaN）とGaNのヘテロ接合に基づいた特殊なデバイス構造を採用しています。

GaN上にAlGaNの薄膜を成長させると、格子構造と分極の違いによって、材料内部に強い電界が生じます。この2つの材料の界面では、これらの電解によって2次元電子ガス（2DEG）が生成されます。

この2DEGは、バルクGaNよりも、はるかに高いキャリア密度と電子移動度があり、非常に薄い伝導チャネルを形成します。この結果、移動度を低下させるような高濃度のドーピングを必要としない、非常に低い抵抗の伝導経路が得られます。

このメカニズムによって、GaNの高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、高電圧耐性を維持しながら、極めて低いオン抵抗（R_DS(on)）を実現できます。

Maurizio Di Paolo Emilio, Director of Global Marketing Communications at EPC