「エネルギー効率の向上」「デバイスの小型化」これらは、現代社会が抱える重要な課題を解決するための鍵となります。そして、これらの課題を解決する革新的な技術として、今、最も注目を集めているのが「GaN半導体」です。
GaN（窒化ガリウム）を材料とするこの次世代半導体は、従来のシリコン（Si）半導体を凌駕する優れた特性を持ち、私たちの生活を大きく変える可能性を秘めています。
本記事では、GaN半導体の基本的な特性から、応用分野、そしてSiCとの違いまでを詳しく解説します。
GaN半導体とは
GaNは、ガリウム（Ga）と窒素（N）の化合物であり、ウルツ鉱型の結晶構造を持つ半導体材料です。
そのバンドギャップは3.4eVとSi（1.1eV）よりも広く、ワイドバンドギャップ半導体に分類されます。この広いバンドギャップにより、GaNは高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子移動度などの優れた特性を示します。
GaN半導体は、これらの特性を活かして、高耐圧、低損失、高速スイッチングなどの性能が求められるパワー半導体分野での応用が進められています。
従来のSiパワー半導体では、高電圧・大電流の制御において電力損失が大きく、発熱も課題となっていましたが、GaNパワー半導体はこれらの課題を解決し、エネルギー効率の大幅な向上を可能にします。
GaN半導体の特性
GaN半導体は、以下の優れた特性により、次世代パワー半導体材料として注目されています。
| 高耐圧 | Siに比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高く、高電圧環境下での動作が可能です。 |
| 低損失 | オン抵抗が低く、電力損失を大幅に低減できます。 |
| 高速スイッチング | 電子移動度が高く、高速なスイッチング動作が可能です。 |
| 高熱伝導率 | Siに比べて熱伝導率が高く、高温環境下での動作や効率的な冷却が可能です。 |
これらの特性により、GaN半導体は、高効率な電力変換や高速な信号処理が求められる様々な分野での応用が期待されています。
GaN半導体の応用分野
GaN半導体は、その優れた特性を活かして、以下の分野での応用が進められています。
【パワー半導体】
電気自動車（EV）のインバータや充電器、データセンターの電源、産業用モータードライブなど、高効率な電力変換が求められる分野で活用されています。
【高周波デバイス】
5G通信の基地局、レーダー、衛星通信など、高速な信号処理が求められる分野で活用されています。
【光デバイス】
LED照明、レーザーダイオードなど、高効率な発光デバイスとして活用されています。
特に、パワー半導体分野では、GaN半導体の導入により、電力変換効率の向上、デバイスの小型化、軽量化が実現し、エネルギー消費量の削減に貢献することが期待されています。
SiCとの違い
SiC半導体は、高耐圧・大電流の制御が必要なパワーエレクトロニクス分野で、GaN半導体は、高周波特性や小型化が求められる通信・電源分野で、それぞれ強みを発揮します。両者は競合するのではなく、それぞれの特性を活かして相互補完的に活用されることが期待されています。
【SiC】
高耐圧、大電流の制御に優れており、EVのインバータや鉄道車両の電力変換装置など、高電圧・大電流を扱う分野での応用が進んでいます。
【GaN】
高速スイッチング、高周波特性に優れており、5G通信の基地局やACアダプターなど、高速な動作や小型化が求められる分野での応用が進んでいます。
このように、GaNとSiCは、それぞれの特性を活かして、異なる分野で相互補完的に活用されることが期待されています。
まとめ
GaN半導体の普及には、コストや信頼性の課題を克服する必要があります。GaN基板の製造コストが高く、デバイスの価格が高止まりしていることや、高温環境下での長期信頼性の評価などが課題となっています。
しかし、技術革新によりこれらの課題が解決されれば、GaN半導体の市場は急速に拡大すると予測されています。特に、EVの普及や5G通信の高度化に伴い、GaN半導体の需要は増加すると考えられます。
GaN半導体は、エネルギー効率の向上やデバイスの小型化に貢献し、持続可能な社会の実現に不可欠な技術です。今後の技術革新により、GaN半導体が私たちの生活をより豊かにする未来が期待されます。
【参考】
OKI STYLE SQUARE VIRTUAL「GaNパワー半導体とは？特徴やSiCとの棲み分け、メリットや課題を解説」
