GaNの話

この連載記事のパート1では、窒化ガリウム（GaN）の基礎について、結晶構造と2次元電子ガス（2DEG）の形成、材料の性能指数FOM（figures of merit）、デプレッション・モードからエンハンスメント・モードへのGaN HEMTの移行について解説しました。

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。

AI（人工知能）の急速な発展と、その成長を支えるために必要なデータセンターの普及は、データセンターの設計方法を根本的に変えつつあります。それは、演算密度や冷却要件だけでなく、電力供給の方法にも及んでいます。かつて数10キロワットだったラックは、今や数100キロワットに迫り、メガワット規模のAI演算クラスタも、もはや遠い目標ではありません。このような状況下で、交流415/480 Vの配電と低電圧DCバスに基づく従来のパワー・アーキテクチャは、ますます非効率的で、大型化し、拡張コストが高くなっています。

人型ロボットは、人間の動きを模倣するように設計されており、幅広い用途で市場が大きく成長しています。モーター制御は、ロボットにおける重要な設計要素であり、この記事では、基本的なパワー・アーキテクチャと、中核部品を構成するパワー・エレクトロニクスの要件を概説すると共に、Efficient Power Conversion Corporation（EPC）が提供しているソリューションの例を紹介します。

ワイド・バンドギャップ半導体が市場に登場したとき、それらが動作する領域は、ほぼ明確に定義されていました。SiCは、600 V以上の電圧でシリコンに対抗し、GaNは100 Vから600 V程度の電圧範囲でシリコンと競合するとされていました。

Efficient Power Conversion（EPC）のCEO（最高経営責任者）で共同創立者であるAlex Lidow（アレックス・リドウ）は、米Power Systems Design誌の編集者のAlly Winning氏との最近のインタビューで、EPCとルネサス エレクトロニクスとの戦略的提携について語りました。このインタビューでは、提携に至った経緯、セカンド・ソースを持つことの重要性、そして、特定のeGaNデバイスが低電圧GaN市場における事実上の標準を確立するためにどのように役立っているか、などが取り上げられました。

窒化ガリウム（GaN）のパワー・デバイスの近年の進歩によって、その動作範囲は40 V以下の低電圧用途にも大きく広がっています。シリコンMOSFETは、その優れた導通性能、十分に理解された製造プロセス、実証済みの信頼性によって、これまで、この電圧範囲で支配的となっていました。

プロオーディオ業界では従来、新しい半導体技術を評価するときに、信頼性、予測可能な寿命、製品の長期的な安定性を重視してきました。この結果、新しいデバイス・プラットフォームは、その電気的性能と耐久性が十分に理解された後に採用されることが一般的です。

米ゴールドマン・サックスの調査レポートによると、人型ロボットの世界出荷台数は、2025年までに約1万5000台から2万台に達し、今後10年間の年平均成長率（CAGR）は40%を超えると予測しています。SFの世界から現実の世界へと移行するこの技術競争において、モーター駆動回路の高周波化、小型化、熱管理能力は、成功の鍵となる要素となります。この記事では、人型ロボットのパワー・アーキテクチャと、その中核となるパワー・エレクトロニクス部品の技術要件を概説し、業界をリードするEfficient Power Conversion Corporation（EPC）が提供するGaNソリューションを例に挙げて解説します。

高電圧GaNを提供するルネサス エレクトロニクスとの提携は、EPCにとって、低電圧および中電圧のポートフォリオを拡大する機会となるでしょう。

窒化ガリウム（GaN）は、炭化ケイ素（SiC）と並ぶワイド・バンドギャップ半導体であり、次世代パワー・エレクトロニクスにおいて、シリコンの優れた代替品として台頭しています。著名なフランスの市場調査会社Yole Developpementは、GaNパワー市場がOEM（相手先ブランドによる生産）による普及、消費者の成熟、そして米NVIDIA（エヌビディア）が支援するAIデータセンター事業の拡大によって、2024年から2030年の間の年平均成長率42%で、2030年には30億米ドルになると予測しています。

米Power Electronic News誌
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