窒化ガリウム（GaN）やシリコンカーバイド（SiC）などのワイドバンドギャップ材料は、シリコン製の同等品よりも優れたオン抵抗、ブレークダウン電圧、小型のトランジスタを提供しながら、設計のシステムコストを削減できることが長い間期待されてきました。
物質のバンドギャップは、格子内の原子間の化学結合の強さに関係しています。これらの結合が強くなるということは、電子が一つの環から次の環へジャンプすることがより困難になることを意味します。その結果、高バンドギャップ半導体では、固有リーク電流が低下し、動作温度が高くなります。これらの改良により、電力変換効率と信頼性が向上し、コスト効率も向上します。
GaNとSiの価格の同等性
半導体業界では、主に900 Vを超える設計にはSiCが使用され、通常900 V未満の設計にはGaNが使用されるというのがコンセンサスとなっています。最近、一部のGaNメーカーはGaNデバイスのコストを同様のSiベースのデバイスと同等に引き下げました。それを念頭に置いて、GaN設計と、シリコンと価格が同等になったときにGaNがどこで使用されるかを見てみましょう。たとえば、EPCの最新のeGaN FETファミリは、同じオン抵抗と定格電圧を持つシリコンMOSFETよりも価格が低くなっています。 非シリコンデバイスがシリコンデバイスよりも高性能かつ低価格になったのは、60年ぶりのことだ。これらのeGaN FETは2015年5月に発売され、ポイントオブロード DC/DCコンバータ やサーバーおよび通信機器用の絶縁型DC/DCコンバータなどの従来の分野でMOSFETに取って代わり始めています。
GaNの利点
GaNソリューションを生産する企業は、600 V以上を扱う企業 (GaN SystemsおよびTransphorm) などニッチ市場を開拓しており、一方で250 V未満の電圧で市場を開拓している企業 (EPC) もあります。たとえば、JEDEC認定デバイスを最初に開発した企業であるTransphormは、600 Vを超える電圧で動作することを好みます。同社は、ブリッジレス力率補正機能を備え、Energy StarのTitanium+ 評価 (すべての負荷にわたって90 ～ 94パーセントの効率) を上回る効率評価を提供するGaNが、データ センターや通信電源に普及すると考えています。トランスフォーム社によると、最初の設計は現在生産段階に移行中だという。GaN製の太陽光発電インバータは、シリコン製に比べてサイズが50パーセント小さく、重量も50パーセント軽量です。トランスフォームは、安川電機およびタタと共同で新しいGaNベースのPVインバータの開発に取り組んでいると述べている。
Transphormによると、LED照明 は、ドライバーの密度を大幅に高めることができるため、GaNのもう1つの注目のデザインです。たとえば、スタジオ照明会社は、CineGear Expoで、GaNを使用してバラストの設計を70パーセント縮小し、重量を50パーセント削減した製品を特集しました。
EPCによれば、ワイヤレス電力、RFエンベロープ トラッキング、LiDAR、衛星、およびいくつかの医療アプリケーションでは、速度とサイズの利点からeGaN FETが使用されているとのことです。ワイヤレス電力では、6.78 MHzの送信周波数はシリコンには高すぎるため、速度の利点がほとんどです。RFエンベロープ トラッキングの場合、必要なスイッチング速度はLDMOSトランジスタにとっても高すぎるため、速度も重要です。LiDARシステムは光の飛行時間を利用して物体までの距離を測定します。eGaN FETの速度は、測定精度と測定速度につながります。そのため、eGaN FETはLiDARベースの自律走行車やマッピングカーで主流となっています。eGaN FETは、宇宙空間に存在する放射線に対しても自然に耐性があります。これにより、多くの衛星メーカーが、宇宙ベースの製品にeGaN FETベースのDC/DCコンバータとLiDARシステムを実装するようになりました。
さらに、多くの医療用電力アプリケーションでは、従来のSiソリューションでは限界に達しているため実行できない高周波動作が求められます。GaNを使用すると、GaNソリューションの電力損失と放熱が低いため、顧客は高い信頼性で希望する周波数で動作できます。Covidien社は、APEC議事録で論文を発表し、GaN設計を使用した1 MHzの外科用ナイフの設計を紹介しました。
自動車におけるワイドバンドギャップ
IDTechExによると、 Infineon のアプリケーション エンジニアリング マネージャーであるAchim Strass博士は、電気自動車 (EV) トラクション インバーターの主なトレンドとして、ワイドバンドギャップ半導体、両面冷却、インホイール モーターや他の部品への統合のためのコンフォーマル形状の作成などがあると述べています。コストの削減と堅牢性の向上が重要です。インバーター はますます複雑になり、コスト削減を相殺しています。さらに、ストラス博士は、トラクションインバーターはEVのコストの中で3番目に重要な項目であり続けるだろうと述べ、車両あたりのモーターの数が1つから複数に増えると、その割合は増加するだろうとしている。すでに車両1台につき複数の電動モーターを使用する傾向があり、インバーター市場は電気自動車事業全体の成長率よりも速いペースで拡大しています。
IDTechExのレポート「電気自動車向けパワーエレクトロニクス2015-2025」の中で、IDTechEx会長のピーター・ハロップ博士は次のように述べています。「賢明なサプライヤーは、リチウムイオン コンデンサ やGaN半導体など、さらに後発の新コンポーネントの波が何を提供できるか、すでに検討を始めています。中国の自由市場の供給者もそれに従わざるを得ないだろう。さもなければ、世界で最も売れている純電気バスである中国のBYD社製K9のホイール内モーター（主要部品を自社製造）の場合と同様に、顧客からますます締め出されることになるだろう。」
誰も行けない場所
GaNなどのワイドバンドギャップ材料の将来は明るいです。なぜなら、Si技術では提供できない設計ソリューションを提供できるからです。たとえば、RFエンベロープ トラッキングは、パワー アンプに適用される電源電圧を継続的に調整して、送信の各瞬間に必要な電力に対してアンプが最高の効率で動作するようにするという概念を表します。EPCのCEO、アレックス・リドウ氏によれば、この技術は1929年から存在していたが、真空管やシリコン、さらには高速LDMOSトランジスタでさえも実装することは不可能だったという。非常に高い周波数と電力効率が必要です。この概念は、モバイル通信用の RFアンプ からより多くのデジタル帯域幅を絞り出すために使用されます。現在、eGaN FETには、このアプリケーションを実現するのに十分なパワー、電圧、速度を備えたトランジスタがあります。イスラエルのチェックキャップ社が開発した大腸内視鏡検査薬についても同様です。これは、飲み込める小さな錠剤の中に詰め込まれた、洗練された高解像度のX線装置です。X線情報は無線で受信機に送信され、錠剤のコストは十分に低いため (eGaN FETのコストも一因)、役目を終えた後に回収する必要がありません。その結果、大衆にとって手間がかからず、高精度で低コストの大腸内視鏡検査が実現しました。