窒化ガリウム半導体に関する神話
GaNの話 – Renee Yawger
1 16, 2023
窒化ガリウム（GaN）は、効率を高め、システムのサイズと重さを大幅に削減し、シリコンでは達成できなかったまったく新しいアプリケーションを可能にする技術として登場しました。では、なぜGaNについて多くの神話がいまだに広まっているのでしょうか、事実は何でしょうか？
GaNに関する非常に多くの誤った情報が残っている理由の1つは、既存のシリコン技術のサプライヤが、潜在的なGaNユーザーを思いとどまらせるために、信頼性の問題、設計上の課題、高い価格、信頼性の低いサプライ・チェーンなどの噂を含む脅迫戦術を使っていることです。
これらの攻撃にもかかわらず、GaNは、Lidar（光による検出と距離の測定）などのアプリケーションを可能にするだけでなく、データセンターや車載用電子機器など、以前はシリコンMOSFETが支配的な地位を占めていた従来のアプリケーションにも受け入れられ続けています。この記事では、GaNに関する最も一般的な神話を暴き、GaN FETとGaN ICが電力変換で置換のサイクルをどのように生み出しているかを示します。
神話 その1：GaN技術は、新しく、テストされていない
窒化ガリウムは、1990年代初頭に、大出力／高周波のRFトランジスタや発光ダイオード （LED）の製造に初めて採用された非常に硬く、機械的に安定したワイド・バンドギャップ半導体です。2010年には、シリコン・パワーMOSFETを置き換えるように設計された最初のエンハンスメント・モードGaNトランジスタが一般に入手可能になり、その後すぐに、GaN FET、GaNベースの駆動回路、および回路保護をモノリシックの単一デバイスに集積したGaNパワーICsが続きました。
GaNベースのFETとICを最も早く採用した人は、MOSFETの約10倍、IGBTの約100倍の速度でスイッチングできるGaNデバイスの能力を利用した人々でした。例えば、自動運転車、ロボット、ドローン、セキュリティ・システムに向けたLidarシステムは、GaNの高速スイッチング能力を最大限に活用する最初の大量アプリケーションの1つです。
生産量の増加に伴い、GaNは、データセンターや、クラウド・コンピューティングなどのその他の高密度コンピューティング・ソリューション、人口知能、機械学習、ゲームに最先端の電力密度と効率を提供する48 VのDC-DC電源などの従来のアプリケーションでシリコンMOSFETに取って代わりつつあります。
As production volumes have grown, GaN is displacing the silicon
神話 その2：GaN技術は信頼性が低い
GaNデバイスは、2010年初頭から量産されており、実験室でのテストと大量の顧客アプリケーションの両方で非常に耐久性があることが実証されています。現場で何1000億時間もデバイスを使った結果、EPCのデバイスは、MOSFETの100倍も良い故障率を示しています！
ワイド・バンドギャップ・デバイスは、シリコンよりも温度の影響を受けにくく、チップスケールのデバイスは、パッケージ封止のデバイスよりも故障メカニズムが少なく、GaNデバイスは、車載認証と宇宙品質を取得しているという事実にもかかわらず、信頼性神話は根強く残っています。
信頼性テストの「故障するまでのテスト」のアプローチによって、EPCは、JEDEC規格をはるかに超えてGaNデバイスをテストし、世代ごとに耐久性を向上させています。この方法論は、設計者が特定のユース・ケースに基づいて評価できるように、より一般的な一連の動作条件にわたって、製品の安全な動作寿命を正確に予測するための物理ベースのモデルを開発するために使われる固有の故障メカニズムを特定します。
故障するまでのテストのレポートの結果は、ここにあります: GaNの信頼性GaNの信頼性。
神話 その3：GaN部品の設計は難しい
GaNデバイスは、パワーMOSFETと同様に動作しますが、GaN回路を設計するときに留意すべき点がいくつかあります。1つには、GaNデバイスは、シリコンMOSFETよりも10 倍高速であり、その結果、GaNを使う回路は、寄生インダクタンスの影響を受けやすくなることです。寄生インダクタンスは、リンギングとオーバーシュートを引き起こし、EMI（電磁干渉）雑音や、回路の不具合のリスクを増大させます。ただし、寄生インダクタンスの最小化は簡単です。適切に設計されたGaN回路は、可能な限り最良のMOSFETの設計よりも EMI雑音とオーバーシュートが小さくなります。
GaNが提供する極端な性能上の利点によって、これらの設計をサポートすエコシステムは、GaNベースのシステムの性能をさらに向上させるゲート・ドライバ、コントローラ、受動部品などの部品を製品化するサプライヤの数が増え続けていることで拡大し続けています。
さらに、同じ基板上に複数のデバイスを集積できるGaN固有の特質によって、モノリシックのパワー・システムを単一チップ上で、より簡単に、より高効率に、より費用対効果の高い方法で設計することができます。EPC23102などの集積化したパワー段によって、設計者は、ディスクリート実装に比べて、35%小型化でき、使う部品点数が50%少なくなり、設計時間が短縮され、効率が向上するソリューションが得られます。GaN集積回路は、製品を、より小型に、より高速に、より高効率に、より簡単に設計できるようにします。
神話 その4：GaNのサプライ・チェーンは信頼できない
EPCのGaN FETとICの製造プロセスは、非常にシンプルで成熟しています。シリコン上にGaN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のサプライ・チェーンを使って、コストのかかる特殊な製造サイトの必要性を排除できます。このサプライ・チェーンは、低コストでの大量生産、およびパートナによる確立したテスト済みの大量のバックエンド生産のために容易に入手できる大口径のシリコン・ウエハーを活用しています。個々のデバイスは、シリコン・デバイスよりもはるかに小さいため、ウエハー1枚当たり、より多くのGaNデバイスを生産することができるので、大量で低コストの成熟した、そして応答性が高く、拡張性の高いサプライ・チェーンを提供します。
神話 その5：GaN FETとICは高価である
これは、GaN技術に関する最も一般的な神話です！ GaNデバイスは、2015年ころから市場に出回っており、同じオン抵抗と定格電圧のシリコン・パワーMOSFETと比べて、価格が安くなっています。この傾向は、その後も続いており、生産量が増加すると同時に、技術が向上し、チップのシュリンクが達成されています。下の図は、オン抵抗のさまざまな仕様におけるEPCの100 VのGaN FET と、同等のMOSFETの価格の比較を示しています。
この比較では、システム・レベルのコストでさえも考慮されていません。一例として、自動車の電気システム向けの3 kWで48 Vから12 VへのDC-DCコンバータでは、GaNの高速スイッチング速度によって、より高い周波数とより高い効率で動作できるソリューションが可能になり、必要な相の数の削減が可能になります。5相のMOSFETシステムから4相のGaNシステムへの置換で、35%小型で低コストにできます。
神話 その6：GaN技術は広く採用される準備ができていない
GaNは2010年3月に商用生産を開始しました。Lidarは、性能を最大化するためにGaNトランジスタの高速で小さなサイズを活用した最初の「キラー・アプリケーション」でした。その後すぐに、高密度コンピューティング向けの48 VのDC-DCコンバータが続きました。衛星システムでは、複数の形態の放射線を含む環境でのGaNの優れた特性に着目したため、大量のGaN FETを使い始めました。何10万ものGaN FETとハイブリッド・モジュールが、地球の低軌道から、より厳密な静止地球軌道まで、あらゆる場所で飛行品質を獲得してきました。米Navitas Semiconductor、米Power Integrations、カナダのGaN Systemsなどの企業の高電圧（650 V）のGaN FETとICは、GaNの最初の大量消費市場である携帯電話の急速充電器市場を開拓しました。電動自転車、ドローン、ロボットでは、重さ、サイズ、コスト、およびEMI雑音を削減するために、すぐにGaNを採用しました。48 VのDC-DCコンバータ、ヘッドランプ、キャビン・ファン、シート・ヒーター、充電器などの車載用途では、生産量が増加し、信頼性が実証され、価格が低下するにつれて、すべてGaNに移行しています。
この時点で、GaNは、もはや「科学プロジェクト」ではなく、15 Vから650 Vまでの範囲の用途におけるシリコンMOSFETの広範な代替品となりました。
結論
今日のGaN技術は、性能、信頼性、コストが急速に改善されており、現在のベンチマーク・デバイスはまだ、理論上の性能限界から数100倍もかけ離れています。既存のMOSFETサプライヤは、自社の製品が性能限界に近づき、競争力のある実現可能なソリューションが受け入れられつつあることを認識しているので、脅し作戦を使ってGaNに関する神話を永続させています。
GaNは、効率の向上、サイズの小型化、信頼性の向上、コストの削減を実現するシリコンの広範な代替品として登場しました。現時点では、GaN FETとGaN ICを使わない理由はほとんどありません。GaN技術の将来について詳しく知るかGaNのエキスパートと直接話してから、あなたの設計を開始してください。