次世代システムの効率性と堅牢性を実現するGaN
窒化ガリウム（GaN）パワーエレクトロニクスデバイス、特に電界効果トランジスタ（FET）と高電子移動度トランジスタ（HEMT）の採用と普及は、ますます加速しています。この人気は、シリコン（Si）金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）の代替品としてGaNデバイスがもたらす、システムレベルの効率性と堅牢性の向上に起因しています。さらに高い周波数では、GaNはシリコンカーバイド（SiC）などの他のワイドバンドギャップ半導体よりも優れたパワーエレクトロニクスの性能指数（FOM）を提供します。
メリット
MOSFETやIGBTと比較すると、GaNやSiCデバイスは、ゲート容量が低く、ゲート駆動損失も低いため、多くのパワーエレクトロニクス用途において大幅な改善が実現されています。例えば、GaN デバイスのゲートチャージFOMは、1nC-Ohm未満であるのに対し、Siでは4nC-Ohmです。さらに、SiCやGaNなどのワイドバンド半導体は、Siよりも出力容量が低いため、スイッチング速度が速い場合でも、全体的なスイッチング損失が低減されます。これにより、スイッチング速度が高速化し、より軽量で低価格な磁気部品（インダクタやトランスなど）が実現します。例えば、GaNデバイスの出力電荷FOMは5nC-Ohmであり、Siの約5分の1です。低周波数ではありますが、IGBT、MOSFET、SiCデバイスは現在、GaN FETやHEMTよりも高い電力レベルを処理できます。GaN技術が成熟するにつれ、これらのデバイスはSiCがはるかに高速で処理できる電圧レベルと同等の電圧レベルを、より高速で実現できるようになりつつあります。GaNは、現行のSi IGBTおよびMOSFETソリューションが依然として主流である最高電圧レベルを除いて、急速に選択される技術となりつつあります。
GaN技術は、高出力密度と高周波数での効率的な動作能力により、急速に市場シェアを拡大しています。GaNは、SiやSiCと比較して、高い電子移動度、3.4eVのワイドバンドギャップ、優れたスイッチングFOMを提供します。つまり、高電圧電力システムは、より低いシステムコストで、より優れた熱分布、より高いシステム密度、より小型で頑丈なパッケージでより優れた全体的な効率を実現できるということです。具体的には、GaNはより優れた逆回復特性、より低いデッドタイム損失、より優れたスイッチング速度を示します。
アプリケーションと成長
GaN技術のメリットは、エレクトロニクスに革命をもたらす道を確実に切り開いています。スマートフォン、タブレット、ポータブル電子機器の充電器における電力密度の向上は、氷山の一角に過ぎません。
現在、より効率的で信頼性の高い電気自動車（EV）充電器、産業用オートメーションコントローラ、モータコントローラ、その他多様な用途で、GaNエレクトロニクスが電気化革命を推進しています。GaNウェハーはSiCウェハーの約10倍、Siウェハーの100倍のコストであるものの、1GaN-on-Si、GaN-on-サファイア、GaN-on-SiC、またはその他のSOI（半導体・絶縁体）技術を使用することで、GaNデバイスの全体的なコストを削減しながら、特定の性能基準を向上させる可能性もあります。例えば、GaNはSiCよりも熱伝導率が低いですが、SiC上に成長させたGaNはSiCの高い熱伝導率のメリットを享受しながら、SiCと比較してより高い電力密度とスイッチング速度を実現します。逆に、GaN-on-Siは他のGaN技術よりもはるかに低コストでありながら、Siと比較してパワーエレクトロニクスに幅広い性能上の利点をもたらします。GaN技術に対する信頼性はレガシー市場に浸透し続けており、市場シェア全体の成長率は高くなっています。Yole Intelligence社は、2023年から2029年にかけてGaNの年平均成長率（CAGR）は46%になると予測しており、最も成長が期待される分野は、モバイル、消費者、自動車、モビリティ産業であると述べています。2
課題
しかし、GaN技術を活用するメリットには、より複雑なドライバエレクトロニクスというデメリットも伴います。GaNデバイスの動作に関するいくつかのニュアンスを考慮しなければ、最適な性能を実現し、早期のデバイス故障を防ぐことはできません。GaNデバイスのより高速なスイッチング速度を実現するには、設計者はより高速で精密な制御システムと電子機器を採用する必要があります。
もう一つの課題は、アルミニウムGaN（AlGaN）とGaN HEMTデバイスにおける電流コラプスです。これらのデバイスでは、ドレインに高いバイアス電圧をかけると、キャリアトラップが原因でリーク電流の劣化が生じる可能性があります。さらに、表面状態/効果によって発生する分極電荷の変化により、AlGaNまたはGaNの伝導チャネルにおける二次元電子ガス（2DEG）の濃度が低下し、電流コラプスが起こります。最後に、ALGaNまたはGaNのエネルギーバンド構造の境界や材料構造にわずかな乱れが生じても、2DEGが崩壊する可能性があります。
適切なデバイス設計と回路設計により、エンジニアはこれらの課題を克服し、GaNデバイスの潜在能力を最大限に引き出すことができます。こうした要件を満たすため、GaN FET用のAnalog Devices LTC7890/LTC7891同期整流式降圧コントローラには、パワーデバイス設計におけるGaN FETの課題を軽減する多くの機能が搭載されています。具体的には、これらのDC-DCスイッチングレギュレータは、キャッチ、クランプ、またはブートストラップダイオードを必要とせずに、ハイサイドドライバ電源（図1）の過充電防止を確実にします。コントローラには、スマートなデッドタイムゼロ機能や抵抗器によるデッドタイム、内部最適化、内部スマート・ブートストラップ・スイッチなどが含まれています。
図1：GaN FETを使用した同期整流式降圧コントローラは、高周波数での高効率動作を実現するために、内部最適化とデッドタイムを最小限に抑える機能を備えています。（出典：Analog Devices社）
もう一つの例として、Analog Devices LT8418ハーフブリッジGaNドライバは、統合された保護機能、ドライバロジック制御、上部および下部ドライバステージを備えた100Vデバイスとして機能します。Analog Devices LT8418は、同期ハーフブリッジまたはフルブリッジトポロジーとして動作するように構成できます。また、降圧、昇圧、または降圧昇圧トポロジーとして動作するように構成することも可能です。その他の機能には、リンギング抑制のためのターンオン/オフのスルーレート調整用スプリットゲートドライバ、最適化されたEMI性能、GaN FETの誤ターンオンを回避するためのローデフォルトドライバなどがあります。
まとめ
ワイドバンドギャップ半導体技術は、ここ数年で成熟度と能力を高めており、これらのデバイスの需要が研究開発を推進しています。特に、GaN技術は、SiやSiC技術よりも高い周波数で高い電力密度を発揮できるため、多くの市場に浸透し始めています。GaNデバイスはSiやSiCと比較すると、まだコスト面で割高ですが、ウエハーサイズの大型化とプロセスの成熟化により、GaNデバイスの性能が向上し、コストが低下すれば、多くの市場でGaNの採用が拡大するでしょう。
出典
1.https://doi.org/10.5772/60970
2.https://www.yolegroup.com/strategy-insights/power-gan-harnessing-new-horizons/