シリコンバレーの名が付けられたのには理由があります。地球上のほぼすべてのコンピューター機器に半導体素子であるシリコンが使われているからです。シリコンは広く採用される素材となりましたが、現代の技術と市場の需要に追いつかなくなってきています。すべてのテクノロジーと同様に、コンピューター科学者はシリコンの理論上の限界に到達したようです。ここでの疑問は、「シリコンの次に何が来るのか？」です。エレクトロニクス業界の研究者は、窒化ガリウム (GaN) などのシリコン代替品を積極的に研究し、新しい技術に実装し続けています。
窒化ガリウム（GaN）とは何ですか？
窒化ガリウム (GaN) は、ガリウムと窒素が一緒になって強固なウルツ鉱型結晶構造を形成する化合物です。この構造は非常に強固で、融点が華氏4532度と高いため、高温環境での半導体ベース材料に適しています。
GaNの構造は、マグネシウムを受け入れるとn型半導体を形成し、シリコンまたは酸素を受け入れるとp型半導体を形成します。窒化ガリウムは自然界には存在しませんが、科学者は純粋なガリウムとアンモニアの混合物を使ってそれを合成することができます。これら2つのコンポーネントが大きな圧力と熱にさらされると、窒化ガリウムと水素ガスが生成されます。
GaNを使用する際の議論の余地のある2つの欠点は、サイズと純度の制限です。窒化ガリウムは結晶構造が複雑なため、10^8から10^10の欠陥範囲にわたる高い転位密度が発生しやすい傾向があります。
青色LEDにおける窒化ガリウムの役割は何ですか?
窒化ガリウムはまったく新しい化合物ではありません。実際、GaNは1990年代初頭から特定の電子機器に使用されています。その頃、赤﨑勇、天野浩、中村修二は、GaNに過剰量のマグネシウムをドープすると、その化合物が青色光を発することを発見した。 導かれた。LED業界はこの開発を画期的な成果として歓迎し、科学者たちの発明は、その発見が世界に与えた多大な影響により、最終的に2014年のノーベル物理学賞を受賞しました。
青色LEDの登場により、世界中で照明アプリケーションの復活が起こり、非効率的な白熱電球の必要性がなくなりました。入手困難な青色LEDが市場に登場したことで、白色LEDや色を変えるLEDの登場への道が開かれました。青色LEDは、現在愛用されているRGB LEDの最終的な要素でした。
窒化ガリウムは、データストレージの新時代を先導したブルーレイ光ディスクの開発にも貢献しました。Blu-rayが登場する前は、DVDが視覚メディアのデータ保存のデフォルトの方法でした。ただし、DVDはホストされた情報の読み取りと書き込みに650nmレーザーを使用するため、保存できるデータ量は約5GBに制限されます。青色LEDとそれに続く青色レーザーの発明により、Blu-rayディスクは405nmレーザーを使用して、同じ容量で最大100GBのデータを読み書きできるようになりました。そう、ブルーレイ する何か特定のものを表す。
窒化ガリウム半導体: GaNのパワーを活用する
窒化ガリウムは他の用途ではすでに名声を得ていましたが、過去10年間で半導体分野での価値がますます高まっています。広いバンドギャップと高い融点を持つGaNは、特に以下の点でパワーエレクトロニクスの世界で強力なツールとなります。
- 電力変換
- 個別半導体部品
GaNのスイッチング特性も有利です。GaNはシリコンのほぼ10倍の速さで400Vに切り替えることができるため、メーカーはこの化合物を使用して、従来はシリコンをベースとしていた製品を大幅に小型化することもできます。
GaNとシリコンの違いについて詳しく学びましょう 。
最新のGaNベースの製品
GaNベースの電力製品は、住宅用太陽エネルギー収集アプリケーションで使用されています。一例として、日本に本拠を置く安川電機は、窒化ガリウムベースのパワー半導体システムを使用した太陽光発電インバータを製造しました。同社のさまざまな 太陽光発電インバータ はGaN技術を活用しており、それらのインバータはシリコンベースのインバータと比較して大幅な節約を実現しています。GaNベースのインバーターは、シリコン ベースのインバーターに比べてサイズが半分、重量が半分、エネルギー損失が半分です。
最も印象的なのは、一部のGaNトランスフォーマーは非常に効率的であるため、冷却ファンを必要としないほど低い温度で動作できることです。ヤサカワの住宅用4.5kW太陽光発電インバータであるEnewell-SOL V1モデルは、窒化ガリウムを使用し、同等のシリコンベースのインバータ システムと比較して全体の体積が60% 削減されています。
SUMOLIGHTという会社は、GaNベースのテクノロジーを使用して革新的な製品を作成するもう1つの優れた例を示しています。プロ仕様のスタジオ照明ソリューションを製造するSUMOLIGHTは、個別のGaNベースのデバイスを活用した受賞歴のあるスタジオ照明製品を開発しました。これらのデバイスにより、電源ソリューションの全体的な重量とサイズが削減されます。実際、SUMOLIGHTの特注電源設計は非常に強力かつ軽量であるため、照明の明るさや制御性を損なうことなく、照明器具の照明ハウジングに直接電源を組み込むことができました。電源 製品も非常に効率的であるため、アクティブな冷却メカニズムを必要としません。このデバイスは完全にパッシブな冷却メカニズムを採用しています。
結論: 窒化ガリウムの応用
窒化ガリウムはエレクトロニクス業界で非常に有用であることが証明されており、歴史的にシリコンベースのパワー半導体アプリケーションでも人気が高まり続けています。特定の用途ではシリコンよりも優れている可能性があるにもかかわらず、世界中の技術者は窒化ガリウムの採用にまだ消極的です。この躊躇は、窒化ガリウムのコストと、エンジニアがその機能に精通していないことに起因している可能性があります。しかし、窒化ガリウムベースの製品は、従来のシリコンよりも優れた効率性と高電力回路をサポートする能力を誇り、最終的には半導体技術の波の救世主となる可能性があります。