シリコンは、約60年にわたって半導体技術の基盤となってきました。しかし、半世紀以上にわたって、エンジニアとメーカーはシリコン製造、集積回路設計、および 半導体 の応用において大きな進歩を遂げてきました。ムーアの法則は、研究者がシリコンベースの半導体の理論的限界に近づいていることを示しています。
シリコン半導体基板は一部の電子機器用途には最適ですが、研究者や半導体メーカーは長い間、特定の用途向けにシリコンに代わるより堅牢な代替品を探してきました。これらの科学者たちは過去数十年間にさまざまな成功を経験してきましたが、シリコンに代わる有力な代替品として窒化ガリウム (GaN) が登場しました。
窒化ガリウムの結晶構造
窒化ガリウムは、有機金属化学気相成長法 (MOCVD) を使用して製造されるウルツ鉱型結晶構造の半導体です。この過程で、ガリウムと窒素が結合して結晶が形成されます。この合成にはさまざまな混合物が存在しますが、GaN合成の一例として、窒素源としてアンモニア (NH3) を使用し、トリメチルガリウムなどのガリウム源を使用するものがあります。
GaNの結晶構造には均一性の問題があり、1センチメートルあたり数百万個の欠陥に達することもあります。しかし、最新のMOCVD技術では、1センチメートルあたりの欠陥数を100 ～ 1000個にまで削減できるため、より大きなGaN結晶を成長させてウェーハとして利用できるようになりました。科学者がGaNを低い誤差で合成できるようになると、この化合物は半導体用途に望ましい特性を与えるいくつかの独特な結晶特性を持つようになります。
半導体のバンドギャップ：GaNの優位性
シリコンに対する窒化ガリウムの最も重要な利点の1つは、そのバンドギャップです。これにより、窒化ガリウムはさまざまな電気的特性を備え、より高い電力の用途に対応できます。窒化ガリウムのバンドギャップは3.2電子ボルト (eV) ですが、シリコンのバンドギャップはわずか1.1 eVです。GaNのバンドギャップはシリコンのほぼ3倍であるため、価電子を半導体の伝導帯に励起するのに、はるかに多くのエネルギーを使用します。この特徴により、非常に低電圧のアプリケーションでのGaNの使用は制限されますが、GaNのブレークダウン電圧は大きくなり、高温でも熱安定性が向上します。
GaN破壊電界
GaNの破壊電界は3.3 MV/cmですが、シリコンの破壊電界は0.3 MV/cmです。これにより、窒化ガリウムは故障する前に高電圧設計をサポートする能力が10倍向上します。より高い破壊電界は、高出力製品などの高電圧回路では窒化ガリウムがシリコンよりも優れていることを意味します。メーカーやエンジニアは、フットプリントを大幅に小さく保ちながら、同様の電圧アプリケーションでGaNを使用することもできます。それに比べて、シリコンは電力密度が格段に高いです。
シリコン対GaNの電子移動度
シリコンの電子移動度は1500 cm2/Vsですが、窒化ガリウムの電子移動度は2000 cm2/Vsです。したがって、窒化ガリウム結晶内の電子はシリコンの電子よりも30% 以上速く移動できます。この電子移動度により、窒化ガリウムはシリコンよりも高いスイッチング周波数を処理できるため、RFコンポーネントで使用する場合に明確な利点が得られます。
熱伝導率の比較
窒化ガリウムがシリコンに比べて劣る点の1つは、熱伝導率が低いことです。窒化ガリウムの熱伝導率は1.3 W/cmKですが、シリコンの熱伝導率はわずか1.5 W/cmKです。窒化ガリウムは高い熱負荷を処理する能力がそれほど高くないかもしれませんが、同等の電圧でのGaNの効率により、回路によって生成される熱負荷が実際に軽減されるため、シリコンよりも低温で動作します。
この 熱伝導率の違いの一例を見てみましょう。EPC Corporationは、120Vから12V 12AのGaN FETとMOSFETを比較して、電力損失が40% 削減されるというデモンストレーションを示しています。その結果、GaN FETは動作温度が約10度低くなり、動作中のエネルギーを節約します。
シリコンとGaNの製造可能性
窒化ガリウムの技術的な弱点は、その製造プロセスであり、特にシリコンの広く採用され、コモディティ化された製造プロセスと比較するとその弱点は顕著です。たとえば、窒化ガリウムには、小さな領域に大量の結晶欠陥が含まれています。比較すると、シリコンには1平方センチメートルあたり100個程度の欠陥が含まれることがあります。今世紀以前、技術者は10億個/cm未満の欠陥を持つGaN基板を製造することができませんでした。
明らかに、ほとんどの半導体製造設計要件を考慮すると、この大量の欠陥/領域は非常に非効率的です。欠陥により、GaN半導体基板の物理的なサイズだけが制限されることもありました。新しい製造技術により欠陥の数はより効率的な数まで減少しましたが、同量のGaNウェハーを製造するコストは依然としてシリコンとは比較になりません。
まとめ
GaNは、半導体用途に使用する場合、シリコンに比べて明確な利点があります。窒化ガリウムには主に2つのハードルがあります。
- 製造における欠陥管理
- コスト効率の維持
窒化ガリウムは、より効率的で、より熱的に安定しており、より高い温度でより高い負荷やより高い周波数を要求する電力デバイスでの使用に確実に適しています。窒化ガリウムは半導体業界にとって将来性のある材料であり、より入手しやすい小型の高周波製品につながるでしょう。GaN MOSFET を含むさまざまな電源製品をご覧ください。