GaN HEMTが電源効率の向上に役立つ理由

私には告白することがあります。エレクトロニクス業界で長年、回路設計者として、また編集者として実務に携わってきましたが、（私を含め）ほとんどの設計者は、半導体の材料、プロセス、製造技術について深く掘り下げた内容にはそれほど興味がないことがわかりました。確かに、毎年開催されるIEEE ISSCC（国際固体素子回路会議）のために生活し、プロセスの細部や技術革新にこだわる人たちはいます。

しかし、ほとんどの設計技術者が本当に知りたいのは、デバイスがどのように作られているかではなく、そのデバイスは何ができるのか、つまり長所、短所、トレードオフ、その他の重要な属性についてです。「私のプロセスは、あなたのプロセスよりも小さく、優れていて、低消費電力で、高速で、おそらく安価です」と述べても、それだけではエキサイティングしません。代わりに、ほとんどの潜在的なユーザーにとって本当に重要なのは、結果として得られる部品とそのデータシートの数字やグラフなのです。

このような見方にもかかわらず、現実には、プロセス技術は半導体の性能および能力の進歩にとって重要かつ基本的なものなのです。新しい、あるいは強化されたプロセスの商業化によって、スイッチング回路とそのシステムで達成できることが再定義されつつある現在のパワーデバイスの分野では、特にそうです。スマートフォンの小型充電器から、電気自動車とその充電ステーションまで、その用途は多岐にわたります。これらの進歩を「革命的」と呼ぶこともできますが、その言葉は使い古され、本来の意味を失っています。

新機能の中核となるワイドバンドギャップデバイス

この変化の核心は、シリコンカーバイド（SiC）および窒化ガリウム（GaN）の材料とプロセスを使って製造されたワイドバンドギャップ（WBG）パワー半導体が利用可能になったことです。WBGデバイスは、従来のシリコン（Si）だけのデバイスと比較して複数の利点を持ち、多くの場合、Siデバイスに取って代わりつつあり、以前は実現不可能だった新しい設計を可能にしています（図1）。

図1：GaNとSiCベースのパワーデバイスの相対的な特性は、これらの新しいWBG部品が、シリコンのみの部品と比較して魅力的なメリットを持っていることを示しています。(画像提供：Scholarly Community Encyclopedia）

具体的には、GaNベースの高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、スイッチング周波数、定格電力、耐熱性、効率の点で従来のシリコンベースのデバイスよりも優れており、これらはすべて、先進的なパワーコンバータの性能を高める上で極めて重要な要素です。これらの利点は、WBG電圧、高臨界絶縁破壊電界、高熱伝導性、高電子飽和速度というGaN固有のメリットの結果です。GaNベースのパワースイッチングデバイスは、小さな「オン」抵抗、大電流能力、高電力密度を提供できます。

市販されているGaNベースのパワースイッチングデバイスは、100ボルトから1000ボルトに近い動作電圧、高いスイッチング周波数、高温動作、スイッチング損失の低減を実現しています。GaNはSiCよりも多くのメリットがありますが、結晶化や加工が難しいという難点があります。

HEMTは、GaNの結晶成長が可能な基板の表面のみに素子を形成するGaN技術です。現在、主な商用GaN FETは横型HEMTです。

GaN FETの横型構造には、シリコン基板、GaNバッファ、窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）障壁、3つの接続端子（ソース、ゲート、ドレイン）、パッシベーション層（保護絶縁膜）、ソース端子から延びるフィールドプレートがあります（図2）。AlGaNバリアとGaNバッファのヘテロ接合（2つの異なる半導体間の接合）は、2次元電子ガス（2DEG）チャンネルを形成します。

図2：GaNパワーデバイスの構造は、複数の層と、電流が流れたり遮断されたりする2DEGチャンネルを示しています。（画像提供：ResearchGate）

このチャンネルは電荷密度と移動度が高いという特徴があります。電流が流れるチャンネルがソースとドレイン間の空乏層領域であるSi MOSFETとは対照的に、電流は2DEGチャンネルに流れます。

標準的なGaN HEMTは通常「オン」であり、通常「オフ」である従来のMOSFETとは異なることに注意してください。GaN HEMTをオフ状態にすることは、使いやすく、利便性および安全性のためほとんどの回路設計で好まれますが、2DEG層を空乏層化させる必要があり、これにより電流が流れなくなります。

その結果、GaNスイッチングデバイスには、エンハンスメントモード（e-GaN）とデプレッションモード（d-GaN）の2種類があります。デプレッションモードトランジスタは通常オンで、オフにするにはゲートに負電圧を印加する必要があります。エンハンスメントモードトランジスタは、通常はオフで、ゲートに正電圧が印加されることでオンになります。

SiC対GaN

GaNとSiCの最も大きな違いは、電子移動度（電子が半導体材料中をどれだけ速く移動できるかを示す）にあります。標準的なシリコンの電子移動度は1500センチメートル² /ボルト・秒（cm²/V・s）です。しかし、SiCの電子移動度は650cm²/V・s、GaNの電子移動度は2000cm²/V・sであり、SiCの電子はGaNとシリコンの電子よりも移動速度が遅くなります。

GaNの電子は、シリコンの電子よりも30%以上速く動くことができます。このように電子移動度が向上したGaNは、高周波アプリケーションに3倍近く適しています。

さらに、GaNの熱伝導率は1.3ワット/センチメートル・K（W/cm・K）で、シリコンの1.5ワット/cm・Kより悪くなっています。しかし、SiCの熱伝導率は5ワット/cm・Kであり、熱負荷の伝達効率は3倍近く高くなっています。この特徴により、SiCは高出力、高温のアプリケーションで強力な優位性を発揮します。

GaNとSiCは、市場で異なる電源ニーズに対応しています。SiCデバイスは1,200ボルトという高い電圧レベルと高い通電能力を提供します。このため、自動車や機関車のトラクションインバータ、大電力ソーラーファーム、大型三相グリッドコンバータなどの用途に適しています。

対照的に、GaN HEMTデバイスの定格電圧は通常650ボルトで、10キロワット（kW）以上の高密度コンバータを実現できます。その用途には、民生用、サーバ用、電気通信用、産業用電源、サーボモータドライバ、グリッドコンバータ、EV車載充電器やDC-DCコンバーターなどがあります。

このような違いはあるものの、SiCとGaNの技術は、10kW以下の一部のアプリケーションでは重なり合っています。

入手可能なGaNデバイスが性能を際立たせる

GaNベースのデバイスの開発には、研究室での長年の研究開発と生産努力が必要でしたが、GaNデバイスは10年以上前から商業生産されています。ROHM Semiconductor GNP1070TC-Z および GNP1150TCA-Z 650V GaN HEMTがその2つの例で、いずれも幅広い電源システムアプリケーション向けに最適化されています（図3）。GNP1070TC-Zは20アンペア（A）、56ワットのエンハンスメントモードデバイスで、ドレイン-ソース間抵抗(R_DS(on)）は70ミリオーム(mΩ)、ゲート電荷（Q_g）はわずか5.5ナノクーロン（nC）（いずれも標準値）です。11A、62.5WのGNP1150TCA-Zでは、対応する値はそれぞれ150mΩと2.7nCです。

図3：650V電源関連のアプリケーションに適している11AのGNP1150TCA-Zおよび20AのGNP1070TC-Z GaN HEMTの内部回路を示します。（画像提供：ROHM Semiconductor）

これら2つの部品は、GaNデバイスを開発するDelta Electronics社の関連会社であるAncora Semiconductors社と共同開発したものです。市場をリードする性能を提供し、より広範な電源の高効率化と小型化に貢献します。

これらは、8 x 8 x 0.7ミリメートル（mm）の8リードDFN8080Kパッケージに収められています（図4）。

図4：電流と電圧の定格が高いにもかかわらず、GNP1070TC-ZとGNP1150TCA-ZのGaNデバイスは、いずれも一辺がわずか8mmのパッケージに収められています。（画像提供：Rohm Semiconductor）

まとめ

GaN HEMTを使用したWBGパワースイッチングデバイスは、従来のシリコンのみのデバイスと比較して、設計者に大幅な性能上の利点を与えてくれます。また、動作周波数と熱放散に関しても、SiCデバイスより明らかに優れています。ROHM Semiconductorの20A/650VのGNP1070TC-Zや11A/650VのGNP1150TCA-ZのようなGaN部品を使用することにより、設計者は、他の方法では実現不可能であったり、動作に厳しい制限があったりするパワーコンバータや電源を実現することができます。

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