Why use GaN?

なぜGaN:窒化ガリウムの利点

窒化ガリウムが重要なのは、なぜですか?

窒化ガリウムは、電子をより高効率に導通し、シリコンよりも高い電界に耐えることができますえることができます。これは、速度、温度、電力処理においてシリコンの能力を超えており、さまざまな電力変換やRFの用途で、シリコン・ベースのデバイスを置き換えつつあります。

GaNベースのシステムの利点には、効率の向上、サイズと重さの大幅な削減、熱特性の向上などがあります。この能力によって、従来のシリコン市場に置き換えサイクルが生まれ、リモート・センシング技術(lidar)や、太陽光発電用途向けエネルギー貯蔵システムなどの新しい用途が可能になります。

GaNはシリコンを置き換えることができますか?

1978年、シリコンのパワーMOSFETは、低速で成熟したバイポーラ・デバイスのより高速な代替品として発売されました。パワーMOSFETの初期の採用者は、バイポーラが十分に高速でなくても良かった用途でした。その採用の代表的な例は、デスクトップ・コンピュータ用のスイッチング電源であり、そこから、MOSFETは半導体業界で選択される電力変換デバイスになりました。

この移行のダイナミクスから、新しい電力変換技術の採用率を左右する4つの重要な要因があることが分かりました:

  1. 新しいアプリケーションをサポートする能力
  2. 使いやすさ
  3. 費用対効果
  4. 信頼性。

現在、GaNは成熟したパワーMOSFETの推定代替品としての地位を占めていますが、選択された半導体技術として引き継ぐためには、このリーダーシップの地位のために、すべての新しい技術が満たさなければならない4つの要件を満たす必要があります。

GaN、4H-SiC、Si の材料特性:

GaN、4H-SiC、Si の材料特性

GaNがパワーMOSFETの代替となる理由

シリコンを置き換える新しい電力変換技術につながる可能性のある4つの重要な質問を見て、それらに対処する上でGaNがどの位置にいるかを見てみましょう。

1. GaNは新しいアプリケーションを可能にしますか?

GaNベースのパワー・トランジスタと集積回路の初期の成功は、当初、シリコンと比べてGaNの速度の利点に基づいていました。GaNオン・シリコンのトランジスタは、MOSFETの約10倍、IGBTの約100倍の速度でスイッチングします。4G / LTEの基地局向けのRF包絡線追跡や、自動運転車、ロボット、ドローンのLidar(光による検出と距離の測定)システム、セキュリティ・システムなどのアプリケーションは、GaNの高速スイッチング能力を最大限に活用した最初の量産アプリケーションでした。

GaNトランジスタは、Si MOSFETやIGBTよりも高速なだけでなく、はるかに小型、つまり、約1/5~1/10です。これによって、ロボット医療用電子機器、 as well as 衛星、ドローンなど、多くのアプリケーションへの道が開かれました。

2. GaNは、使いやすいですか?

GaNトランジスタ(特にエンハンスメント・モード、ノーマリ・オンのデバイス)は、成熟したパワーMOSFETと動作が非常に似ているため、パワー・システムの技術者は、最小限の追加トレーニングで設計経験を活かすことができます。モノリシック集積化の最近の進歩によって、シリコン・パワー・デバイスで達成された以上のシンプルさが加わります。

設計技術者の学習曲線の向上を支援するために、EPCは、業界初のGaNトランジスタのテキスト(英語と中国語)を発行しました –GaN Transistors for Efficient Power Conversion.。第3版は、2019年に、米出版社J. Wiley & Sons から発行されました。2021年には、補遺である GaN Power Devices and Applicationsを発行しました。これらのテキストは、アマゾンやテキストの書店から入手できます。

さらに、世界中の100以上の大学がGaNデバイスに取り組んでおり、高度に熟練したパワー・システム設計者の次の世代が、この技術から最高の性能を引き出せるように準備しています。

3. GaNはシリコンに代わる費用対効果の高い代替品ですか?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETSEPCのGaNトランジスタと集積回路は、シリコン・パワーMOSFETと同様のプロセスを使って製造され、処理工程数がはるかに少なく、GaNデバイスは、シリコンの対応品よりもはるかに小型なため、製造工程ごとに多くのデバイスが生産されます。さらに、低電圧(500 V以下)のGaNトランジスタは、高価なパッケージが不要です。シリコンでは保護するためにこれが必要でした。このパッケージの利点だけで製造コストを半分に削減でき、高い製造歩留まりと小さなデバイス・サイズとの組み合わせによって、EPCのGaNトランジスタのコストは、同等の(ただし、低速で大きな)シリコン・ パワーMOSFETよりも安価になります。

4. GaNデバイスは信頼性が高いですか?

Comparison of GaN transistor costs and silicon MOSFETS

現在までに、GaNトランジスタのいくつかのメーカーが、社内のストレス・テストから優れた結果を報告しています。EPC は、データシートの制限の間のマージン量の理解、さらに重要なことは、固有の故障メカニズムの理解を深めるために、部品を故障点までテストすることを含む厳格な信頼性プログラムを確立しました。本質的な故障メカニズム、故障の根本原因、および時間、温度、電気的ストレスや機械的ストレスに対するデバイスの動作を知ることによって、製品の安全な動作寿命を、より一般的な一連の動作条件で決定できます。

EPCは、このテストの結果を継続して公開しており、フェフェーズ15の信頼性レポートでは、シリコン・パワー・デバイスとは比べものにならないくらいのフィールド信頼性データを詳しく説明しています。

GaNのその他の利点

電力変換技術に関しては、上記の要因が重要ですが、GaNを際立たせていることは、それだけではありません。他の技術よりもGaNに大きな利点をもたらす属性が他にもあります。

サイズと重量の削減

GaNデバイスは、SiCデバイスとSiデバイスの両方と比べて、同じ定格電圧において、単位面積当たりのオン抵抗がはるかに小さくなります。これによって、チップとパッケージのサイズを大幅に小さくできます。

1 mm2のデバイスの理論上のオン抵抗と、Si、SiC、 GaNに基づくパワー・デバイスのブロッキング電圧能力:

1 mm2のデバイスの理論上のオン抵抗と、Si、SiC、 GaNに基づくパワー・デバイスのブロッキング電圧能力:

加えて、システムの観点から見ると、GaNの高速スイッチング速度によって、スイッチング周波数を高くできるので、受動部品のサイズを小型にでき、場合によっては、機械的なヒートシンクを不要にできます。この結果、GaN FETとICを使う場合、最終ソリューションのサイズと重さが全体的に削減されます。

より高い電力密度とより高い効率

GaNは、スイッチング性能とサイズの小型化において大幅な改善をもたらすため、多数のアプリケーションで記録的な電力密度と効率を実現できます。

一例として、クラウド・コンピューティング、人工知能、機械学習、ゲームの各アプリケーションのための高密度コンピューティング用途に必要な48 Vの電源があります。

高効率、かつ高電力密度のコンバータによって、システム・レベルでの電力損失の削減が可能になると同時に、形状を小型化できます。このアプリケーションでは、GaNベースのリファレンス・デザインによって、48 Vから12 Vへのパワー・コンバータで前例のないレベルの電力密度(4 kW/立方インチ以上)が実証され、ピーク効率は96.3%、1 kWを12 V負荷に供給する場合は93.8%が得られています。このモジュール大きさは17.5×22.8×7.7 mmです。

熱特性の向上

デバイスの動作中に消費される電力は、熱の形で放散されます。したがって、デバイスが周囲の環境に熱を伝達する能力を理解することが重要です。GaN FETは、同等のオン抵抗RDS(on)のMOSFETと比べて、FETの面積がはるかに小さいにもかかわらず、優れた絶対的な熱特性を備えています。実際、チップスケールのGaNトランジスタの場合、接合部からパッケージまでの熱抵抗(RθJC)がシリコン・デバイスよりも小さいため、良好な熱伝導性が得られます。

Better Thermal Performance

加えて、より多くの熱を抽出し、GaNベースの設計の出力電流能力を大きくするためのシンプルで実用的なヒートシンクの取り付け方法が存在します。

結論

GaNがシリコンMOSFETを置き換えるために必要な4つの属性が達成されました。ただし、これはGaNの始まりにすぎません。市場に出回っている最新のデバイスでさえ、GaNの理論上の限界で製造できた場合の約300倍の大きさです。

GaNが電力変換システムの性能に影響を与え、その多くの利点を証明する最も重要な機会は、同じ基板上にパワー・レベルと信号レベルの両方のデバイスを統合する本質的な能力からもたらされます。EPCは、2014年からGaN ICを製造しており、ユーザーが論理レベルの入力を供給し、高性能の電力変換を実現する単一のGaNオン・シリコン・チップ上で完全なシステムを実現することを目標としています。より小さく、より速く、より低コストで、より統合された・・・つまり、これが「なぜGaN?」という質問に対する私たちの答えです。

GaNは、どのように利用できますか?

GaN for Aerospace and Defense

航空宇宙と防衛

Consumer Electronics GaN

民生用電子機器

GaN for Medical Technologies

医療技術

GaN for Communications

通信