半導体技術の進歩における主要なテーマは常に、「より小型、より高速、より安価」でした。パワーエレクトロニクスも例外ではありませんが、「より堅牢、より効率的、そしてより広いバンドギャップ」が加わるかもしれません。
バンドギャップ（半導体材料の価電子帯から伝導帯に電子を輸送する（それによって電子を移動可能にする）ために必要なエネルギー）は、半導体の特性を決定する重要な要素です。
シリコンと比較すると、ワイドバンドギャップ (WBG) 材料は導電性とスイッチング速度を大幅に向上させることができます。また、シリコンよりも高い周波数で動作し、高い電圧と温度に耐えることができます。スイッチング速度が速いため、帯域幅の面でもRFアプリケーションで競争上の優位性が得られます。
MOS世代の黄昏
メタルオンシリコンパワートランジスタ（MOSFET） が、継続的にコストを下げながらパフォーマンスを向上させる能力は、限界に近づいています。もちろん、MOSFETには今後も多くの有望な市場が存在します。しかし、システム設計エンジニアは、実質的に理想的なパワー トランジスタ、つまりスイッチング速度が無限に速く、電気抵抗がなく、コストが低いパワー トランジスタをますます求めるようになっています。
過去 数年間で、窒化ガリウム (GaN) やシリコンカーバイド (SiC) などのWBG材料が、シリコンやGaAsの代替として実現可能になりました。下の図は、過去半世紀にわたるパワー半導体に使用されたさまざまな技術のライフサイクルを示しています。
図: パワーデバイス技術のライフサイクル。提供: Yole Développement
ただし、SiCとGaNについて説明する前に、RFアプリケーションでは、数十年にわたってGaAsベースのコンポーネントが電力回路のシリコンに取って代わってきたことに留意する必要があります。一般にモノリシックマイクロ波IC (MMIC) として知られるこれらのGaAsベースのデバイスには、通常、増幅器とスイッチが組み込まれています。トランジスタ自体は、通常、金属半導体電界効果トランジスタ (MESFET) またはヘテロ接合バイポーラトランジスタ (HBT) 構造として製造されます。現在、GaAsは特定のアプリケーションにおいてWBGの競合他社に後れを取っています。
GaAsトランジスタの理論的な高周波カットオフは約150 GHzです。しかし、それらを統合したMMICアンプは、約100 GHzで上限に達する傾向があります。GaAsパワーアンプの出力定格は約5 Wで、これがほぼ上限です。ただし、複数のデバイスを並列に使用したり、アンプ出力をトランスやネットワークで組み合わせたりすることで、最大約20 W ～ 40 Wの電力レベルが可能になります。
GaAsは、特に受信機のフロントエンドなど、低ノイズ性能が不可欠な高周波、小信号半導体デバイスに適しています。彼らの「自然に適合する」アプリケーションは、バッテリーを電源として使用できる低電力、低電圧、低電流要件のアプリケーションであり、これがWBGの競合他社からリスクにさらされている理由の1つです。
バンドギャップの違いを理解するために、シリコンのバンドギャップは1.1電子ボルト (eV) であるのに対し、GaAsでは1.4 eV、SiCでは3.3 eV、GaNでは3.4 eVです。したがって、GaAsはシリコンよりも50パーセントの改善を実現しますが、SiCとGaNでは3倍程度の改善が実現します。
SiCが先導する
SiC JFETSの少量販売は2007年に開始されており、WBG技術の中で最も成熟した技術となっています。2013年に6インチSiCウェハーの生産が開始されると、重要な生産コストのハードルがクリアされ、さまざまな種類のSiCデバイスが次々と量産に入りました。
SiCベースのデバイスは、オン抵抗が極めて低く、出力容量も低いため、電力消費を最小限に抑えることができます。
高電圧SiC MOSFETの主な利点は次のとおりです。
- 損失が少なくなり、システム効率が向上します。市場調査会社Yole Développementによれば、SiC (およびGaN) はDCからDCへの変換効率を85パーセントから95パーセントに、ACからDCへの変換効率を85パーセントから90パーセントに向上させることができます。
- スイッチング周波数が高くなると受動部品が減り、よりコンパクトな設計が可能になります。
- 破壊電圧は数十キロボルトです。
SiCはシリコンの3倍の熱伝導率を誇るため、温度がスイッチング性能やオン抵抗に影響を与えることはありません。その結果、SiCデバイスは150°Cを超える温度でも効率的に動作し、システムの冷却要件が低くなるため、ファンやヒートシンクが不要になります。
高い熱伝導率により、ダイ全体に熱を効果的に分散する垂直型パワーデバイスの製造も可能になります。これらのデバイスは、高電流サージと高過渡電圧に耐えることができるため、太陽光インバータ、ハイブリッド車や電気自動車、多くの軍事システム、産業用モータードライブなどの高電力 (> 1,200 V、> 100 kW)、高温 (200°C ～ 400°C) アプリケーションに最適です。
GaN: 低コストで高性能
SiCおよびGaNデバイスは依然としてシリコンよりも高価であるため、特殊な用途に使用されます。しかし、GaNが大量ウェハ生産に導入されるにつれて、GaAsに代わるコスト効率の高い選択肢になると考えられる理由がいくつかあります。高電圧動作、高スイッチング周波数、その他多くのSiCの利点により、GaNベースのパワー デバイスはすでに一部のアプリケーションにとって魅力的なものになっています。
通常、GaNは優れた性能によって設計上の優位性を獲得します。また、その性能上の優位性によってシステム内のコンポーネント数が少なくなり、システムの部品コストが削減されることもあります。
GaAsに比べて少なくとも5:1の電力密度の利点があり、熱伝導率はGaAsの3倍以上です。これにより、伝導時の温度上昇が低くなり、GaNデバイスはGaAsよりも高い電力レベルを処理できるようになります。
GaNベースの高電子移動度トランジスタ (HEMT) デバイスは、シリコンよりも1,000倍以上効率的に電子を伝導します。この高い電子移動度は、信号をギガヘルツ以上の範囲まで増幅できることを意味します。その他の利点はSiCと同様で、オン抵抗が低い、伝導損失が低い、スイッチング損失が少ない高速デバイス、回路の駆動に必要な電力が少ない、プリント回路基板上で占めるスペースが少ない小型デバイスなどです。
GaNデバイスを統合したアンプは、+48 V DC以上で簡単に動作します。これらの高出力/高電圧機能により、GaNは無線基地局、レーダー、衛星、通信、電子戦のパワーアンプなどのアプリケーションに適しています。
GaNのパフォーマンス上の利点を評価するには、Analog Devicesの HMC8205BF10 パワー アンプを検討してください。この標準製品は50 V電源で動作し、10倍以上の帯域幅をカバーする約20 dBの電力ゲインで35パーセントの公称効率で35 WのRF電力を供給します。GaAsでの同様のアプローチと比較して、約10倍の電力を供給します。過去においては、これにはGaAsダイの複雑な組み合わせ方式が必要であり、同じ効率を達成することは不可能でした。
しかし、純粋な力は必ずしもすべてではありません。GaAsアンプはGaNアンプよりも直線性が高く、歪みが少ない傾向があります。
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結論
シリコンとGaAsは、コスト、設計の習熟度、信頼性の面で、システム設計者にまだ多くの利点を提供します。長年現場で使用されてきたことにより、その人気は続いています。多くのアプリケーションでは、最新の材料技術開発に基づいたコンポーネントに移行する必要性は差し迫っていません。しかし、電気自動車で使用される高電圧や、エネルギー収集に使用される極めて効率的なデバイスなど、非常に特殊なニーズを持つアプリケーションが増えるにつれて、SiCとGaNの活躍の場はますます増えていくでしょう。
