天野浩氏が語ったGaNパワーデバイスの展望 「エネルギー効率99％以上を目指す」：脱炭素社会の実現に向け（1/2 ページ）

Si（シリコン）に代わる新しい材料として、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）などのWBG（ワイドバンドギャップ）半導体が注目を集めている。名古屋大学教授でノーベル物理学賞受賞者である天野浩氏の講演から、GaN基板／デバイスの研究開発の現状と将来展望を紹介する。

[浅井涼，EE Times Japan]

　パワーエレクトロニクスの領域では、Si（シリコン）に代わる新しい材料として、より省エネルギー性に優れたSiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）などのWBG（ワイドバンドギャップ）半導体が注目を集めている。富士経済の調査によると、2035年にはパワー半導体市場に占めるこれら次世代半導体の比率は45％にまで高まるという。

　2023年10月、在日ドイツ商工会議所が主催し、Infineon Technologiesの日本法人であるインフィニオン テクノロジーズ ジャパンが企画事務局として参画したイベント「日独オクトーバー技術交流会（オクトーバーテック2023）」に、名古屋大学未来材料・システム研究所の未来エレクトロニクス集積研究センター長で教授の天野浩氏が登壇し、「脱炭素社会実現に貢献するWBGエレクトロニクスの構築を目指して」と題した講演を行った。本稿では天野氏の講演を基に、GaN基板やデバイスの研究開発の現状／将来展望や関連する同氏の取り組みについて紹介する。

名古屋大学 未来材料・システム研究所 未来エレクトロニクス集積研究センター長で教授の天野浩氏（左）とInfineon Technologies CMO（最高マーケティング責任者）のAndreas Urschitz氏（右）［クリックで拡大］ 出所：インフィニオン テクノロジーズ ジャパン

GaNデバイスの現状　車載向けには課題も

　現在、GaNが既に多く利用されているのはLED照明の領域だ。日本の照明器具市場におけるLED照明の割合は2020年度時点で97.1％と圧倒的だった。天野氏は学生時代からGaNの研究に取り組み、2014年には青色LEDの発明によってノーベル物理学賞を受賞した。天野氏は当時について「非常によく仕事をしたと思う」と語りながらも、研究開発から商品として市場に出るまでのサプライチェーンが長いことから「当時の大学でできたことは結晶成長の研究など、ほんの一部だったという反省があった」と振り返る。

　昨今はパワーデバイス領域でGaNへの注目度が高まってきていることを踏まえ、天野氏は「人類への次の貢献として、EV（電気自動車）を皮切りに省エネルギーシステムの実現にGaNを役立てたい」「目指すのは『エネルギー効率99％以上』の変換技術だ」と語った。

　天野氏は、パワーデバイスの研究開発ではLEDの研究開発以上に幅広く貢献したいと考え、名古屋大学内の施設「C-TECs（エネルギー変換エレクトロニクス研究館）」「C-TEFs（エネルギー変換エレクトロニクス実験施設）」立ち上げに参画したという。同氏は、結晶の研究開発からデバイスやモジュールの開発、システムへの組み込みまでを「同じ屋根の下で一気に行える仕組み」（天野氏）で、GaNデバイスの早期社会実装を目指している。

　GaNパワーデバイスの最大の特徴は、高効率化／小型軽量化が可能になることだ。天野氏らが行った実証試験では、GaNパワーデバイスを用いてインバーターのエネルギー損失をSi比で65％削減することと、デバイスの小型化に成功したという。

　ただし、大きな需要が見込まれる車載用途に向けては、現状のGaNパワーデバイスでは課題もある。まず、ワンチップで実際に扱える電力が少ないことだ。また、ノーマリーオフ型のデバイスにする必要があるが、そのためにp-GaNゲート構造を用いると長期の安定性に問題が生じ、カスコード接続を用いるとEモードのSi MOSFETを組み込む必要が出て、実装面積が大きくなってしまう。さらには短絡耐性や大きな逆電圧に対するアバランシェ耐圧など、トラブル耐性への課題もあるという。