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半導体物理

GaNパワーデバイスが実用化!-Ankerジャパンの充電器-

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次世代のパワーデバイスとして注目されていたGaNパワーデバイスですが、なかなか商用化されて普及してきませんでした。ところが、ついにGaN パワーデバイスが商品化するというニュースが発表されました。

ようやくGaNパワーデバイスが実用化されたと聞き、GaNパワーデバイスが今後いろいろな分野で使われるようになることが楽しみになりました。この記事では、GaNパワーデバイスが使われた経緯や、利点についてまとめます。

GaNパワーデバイスが採用された理由

今回GaNパワーデバイスが採用された理由について、先ほどの記事を見てみましょう。

GaNは、その優れたエネルギー効率と耐圧性から、現在電子部品に主に活用されているシリコンに代わる存在として注目が高まっている半導体素材です。 (中略) USB急速充電器へのGaNの採用メリットは、大きな電力をより効率的・安全に供給でき、かつ製品の小型化を図れることにあります。従来のシリコン半導体はエネルギー効率に限界があり、大きな電力を供給しようとすると電力のロスが熱となって発生しやすく、製品の安全性を高めるためには大型化が避けられないという課題がありました。Ankerは、この問題のソリューションをGaNに求めることで克服致しました。

(“【Anker】次世代パワー半導体素材「GaN」を世界に先駆けてUSB急速充電器に採用!充電の未来を拓くAnker PowerPort Atomシリーズの日本展開を発表”より引用。)

この記事にある通り、GaNを採用した理由は、GaNパワーデバイスがSiパワーデバイスよりも高耐圧、高効率なデバイスということです。

まず、高耐圧であるためSiよりも高い電圧、高い電流で動作させることができます。これは高速充電のためには非常に重要な特性になります。加えて、Siデバイスよりも効率が良いため、Siパワーデバイスよりも小さいサイズで同じ出力をえることが出来ます。これはパワーデバイスの小型化につながります。

つまり、デバイスサイズを小型化しつつ、高出力化を実現できる、それがGaNパワーデバイスになります。

GaNパワーデバイスのメリット

GaNパワーデバイスが高耐圧、高効率な理由について、詳細に見ていきます。まず、材料の物性値から見てみましょう。Siと同じくパワーデバイスとして使用されているSiCと比較してみます。

表 Si, SiC, GaNの主な物性値[1]

Si 4H-SiC GaN(バルク)
バンドギャップ(eV) 1.1 3.26 3.42
破壊電界 (MV/cm) 0.3 2.2 3.3
電子移動度 (cm2/V・s) 1350 900 1150(2000*)
飽和電子速度 (107 cm/s) 1 2 3
バリガ指数 1 223 850

*GaNデバイスは一般的にAlGaN/GaN構造を作り、AlGaNとGaN界面に形成される二次元電子ガス(2DEG)を利用します。括弧内に記載の値は、2DEGの移動度になります。

表に示す通り、GaNはバンドギャップがSiよりも大きい材料になります。バンドギャップが大きいと、破壊電界の値が大きくなり、耐圧が向上します。こちらはSiCも同様です。

次に、効率について比較してみます。効率について比較するときには、バリガ指数が用いられます。バリガ指数はデバイスの抵抗によるロスがどのくらいにあるかを比較するときに用いられる指標になります。バリガ指数の値が大きいほど、ロスが小さく、効率よくデバイスが動作できるようになります。バリガ指数で三種類の材料を比較すると、GaNが圧倒的に大きいことがわかります。これは、GaN中の電子移動度が高いことが理由です。(バリガ指数は、[math]\epsilon \mu E_{crit}^{2}[/math]で表され、[math]\epsilon[/math]は比誘電率、[math]\mu[/math]は電子移動度、[math]E_{crit}[/math]は破壊電界です。)

以上より、GaNが優れた物性値をもつ材料であり、Siのパワーデバイスよりも特性の良いデバイスを作成できることがわかります。

GaNパワーデバイスの課題

物性値からSiパワーデバイスよりもGaNパワーデバイスは優れた特性を持っていますが、これまで使われてこなかったのは、コストの問題があります。まだ高品質なGaNのバルク結晶を作製することは難しく、GaN基板は非常に高価です。先に実用化されているSiC基板もSi基板と比較するとまだまだ高価です。

そこで、Si基板上にGaNパワーデバイスを作成することで、コストを下げる取り組みが行われています。半導体デバイスを作るプロセス工程のコストは基板の種類やサイズによって大きな差は生まれないため、基板コストを下げることは、製品コストを下げることにつながります。Si基板は半導体基板の中では最もサイズが大きく、直径200mmが主流です。(SiC基板は100mm, GaN基板は2インチ(?)。)基板が大きくなれば、1枚のウェハからとれるデバイスの数が増え、1デバイスあたりの価格が下がります。おそらく、Ankerが採用したデバイスもSi基板上にGaNを結晶成長したGaN on SIデバイスと推測されます。

GaN on Siデバイスは今後普及が進むと思われますが、GaN on Siデバイスには課題もあります。高電圧をかけると基板のほうが先に壊れてしまい、デバイスの動作がしなくなってしまう問題があります。また、Si基板は熱にも弱く、高温になるような特殊な場所には使いづらいと考えられます。GaN基板の開発も進めば、そういった特殊な用途へもGaNパワーデバイスが使用されていくと思います。(現在は、そういった特殊な環境ではSiCパワーデバイスが使われていると推測します。)

まとめ

AnkerジャパンがGaNパワーデバイスを利用した充電器を発売することを発表したことを取り上げ、GaNパワーデバイスの特徴を、材料物性の話を交えながら説明しました。今後、ますますGaNデバイスが普及していくことを期待しています。

最後までお読みいただきありがとうございます。それではまた次の記事でお会いしましょう。

参考

[1] “Gallium Nitride (GaN) Physics, Devices, and Technology”, Farid Medjdoub, CRC Press (2016), p9.

[2] 【半導体物理】Si基板上へのGaN成長【結晶成長】

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