シリコン vs ガリウムナイトライド (GaN) 半導体：特性と用途の比較
シリコンは、約60年間にわたり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り、エンジニアや製造業者はシリコン製造、集積回路設計、そして 半導体 応用の分野で大きな進歩を遂げました。ムーアの法則によれば、研究者たちは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アプリケーションには最適ですが、研究科学者や半導体製造業者は特定のアプリケーションにおいて、シリコンに代わるより堅牢な代替品を長年探し続けてきました。これらの科学者は過去数十年にわたり様々な成功を収めてきましたが、シリコンの有力な代替品として浮上してきたものの一つが、窒化ガリウム（GaN）半導体です。
窒化ガリウム半導体構造
ガリウム窒化物は、金属有機 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。このプロセスでは、ガリウムと窒素が結合して結晶を形成します。この合成のためのさまざまな混合物が存在しますが、GaN合成の一例としては、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のようなガリウム源を使用します。 GaNの結晶構造には一部均一性の問題があり、場合によっては1センチメートルあたり数百万の欠陥に達することがあります。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から1000の範囲に減少させることが可能となり、ウェハとして使用するためのより大きなGaN結晶を成長させることができるようになりました。科学者が低エラー度でGaNを合成することができる場合、この化合物は半導体アプリケーションで望ましい特性を与えるいくつかの独特な結晶の特性を持ちます。
GaN 対シリコンのバンドギャップの利点
ガリウムナイトライド（GaN）とシリコンを比較した際の最も重要な利点の一つは、そのバンドギャップです。これにより、GaNは高出力アプリケーションに適したさまざまな電気的特性を備えています。ガリウムナイトライドのバンドギャップは3.2電子ボルト（eV）であるのに対し、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ために必要なエネルギーが大幅に多くなります。この特性により、GaNは非常に低電圧のアプリケーションでは使用が制限されますが、逆にGaNはより高い温度での熱安定性と大きな耐圧を可能にします。
GaN破壊電界
GaNの絶縁破壊電界は3.3 MV/cmであり、シリコンの絶縁破壊電界0.3 MV/cmと比較すると、遥かに高い耐電圧設計をサポートする能力を持っています。これは、ガリウムナイトライド半導体が故障に至る前にシリコンよりも10倍優れていることを意味します。より高い絶縁破壊電界は、ガリウムナイトライドが高電圧回路、例えば高出力製品においてシリコンよりも優れていることを示しています。また、製造業者やエンジニアは、同様の電圧アプリケーションでGaNを使用しながら、大幅に小さいフットプリントを維持することが可能です。一方、シリコンはそれと比べて著しく高いパワー密度を持っています。
窒化ガリウムとシリコンの電子移動度
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%以上速く移動することができます。この電子移動度により、窒化ガリウムはRFコンポーネントでの使用において明確な利点があります。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です。
熱伝導率の比較
ガリウムナイトライド（GaN）とシリコンの比較における1つの欠点は、ガリウムナイトライドの熱伝導率が低いという点です。ガリウムナイトライドの熱伝導率は1.3 W/cmKで、シリコンの熱伝導率は1.5 W/cmKです。ガリウムナイトライドは高い熱負荷に対処する能力が劣るかもしれませんが、同等の電圧でのGaNの効率性により回路によって生成される熱負荷が削減され、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として、EPC Corporationが120Vから12Vの12AのGaN FETとMOSFETを比較するデモンストレーションで、40%の電力損失削減を示しています。この結果、GaN FETは約10度低温で動作し、稼働中のエネルギーを節約します。
シリコンおよびGaN半導体の製造可能性
ガリウム窒化物の技術的な障害の一つは、その製造プロセスにあります。特に、シリコンの広く採用され、商品化された製造プロセスと比較した場合が顕著です。例えば、ガリウム窒化物は、狭い面積内に大量の結晶欠陥を含みます。一方、シリコンは平方センチメートルあたり100個以下の欠陥を含む場合もあります。この世紀以前には、エンジニアは1平方センチメートルあたり10億個未満の欠陥を持つGaN基板を製造することができませんでした。 明らかに、このような大量の欠陥/面積というのは、ほとんどの半導体製造設計要件にとって非常に非効率的です。この欠陥のため、GaN半導体基板の物理的サイズが制限されていました。新しい製造技術によって欠陥の数はより効率的なレベルまで減少しましたが、同じ量のGaNウェハを製造するコストは依然としてシリコンに比べることができません。
ガリウム窒化物はシリコンより優れていますか?
GaNは、半導体用途で使用される場合、シリコンに対して明確な利点を持っています。ガリウムナイトライドには以下の2つの主な課題があります：
- 製造における欠陥制御
- コスト効率の維持
ガリウムナイトライドは、より効率的で、熱的に安定し、特に高温下でより負荷が高い高周波デバイスの使用に適しています。GaN材料は半導体の世界において将来性があり、小型で高周波の製品をより手軽に入手可能にします。さまざまな 電源製品を探索し、GaN MOSFETsを含む商品をご覧ください。
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