LEDを一新した「GaN」、次は電力を変える：パワー半導体 GaNデバイス（2/3 ページ）
SiC（炭化ケイ素）と並んで次世代パワー半導体の旗手として脚光を浴びる「GaN」（窒化ガリウム）。しかし、実用化が進むSiCと比べて、GaNの開発は遅れているように見える。GaNを採用すると、SiCと同様に電力変換時の損失を低減できる。さらに、SiやSiCよりも高速なスイッチングが可能だ。これは電源の小型化に大いに役立つ。しかし、ノーマリーオフ動作が難しいという欠点もある。こちらは電源には向かない特性だ。GaNの長所を伸ばし、欠点をつぶす、このような開発が進んでいる。
どうやって両立するのか
GaNパワー半導体の開発を進めている企業はSiCパワー半導体の場合と比較すれば少ないものの、米Efficient Power Conversion（EPC、関連記事）や米International Rectifier、STMicroelectronics、米Transphorm（関連記事）、サンケン電気、富士通（関連記事）、パウデック（関連記事）、パナソニック（関連記事）、ロームなどが開発を進めている。この他、産業技術総合研究所＊2）や、古河電気工業と富士電機アドバンストテクノロジーが設立した次世代パワーデバイス研究組合＊3）が成果を発表している。
＊2） 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）はパナソニックと名古屋大学、産業技術総合研究所に「インバータ高効率化のためのGaN双方向スイッチの研究開発」（2008〜2011年に実施）を委託した。ここでは、パナソニックが開発した「GIT構造」を利用したAlGaN/GaNのHEMT構造を応用発展させる開発が3者の協力で進んだ。GIT構造においては、ゲートの直下にp型のAlGaNを形成し、ゲート直下のチャネル部の電位を持ち上げて電子を枯渇、ノーマリーオフ動作を実現する。
＊3） 同研究組合では、AlGaN/GaNのHEMT構造とGaN MOSFET構造を組み合わせた「GaN Hybrid MOS-HFET」と呼ぶ構造を利用して、2次元電子ガスの有効利用とノーマリーオフ動作を両立させている。耐圧は1.71kWを上回るという。
インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン（IRジャパン）は、既に耐圧30V以下の領域でGaNパワー半導体の出荷を開始している（関連記事）。GaNパワー半導体の製品化では最も先行しているといえるだろう。
GaNのスイッチング性能の高さをうたう（図2）他、高い変換効率を訴求する。300Vを入力し、30Vを出力するDC-DCコンバータをスイッチング周波数400kHzで動作させた場合、Siだけで構成した回路と比較して、10％負荷の場合17ポイント、定格負荷では3ポイント効率が高いという。
2012年7月には耐圧600Vの試作品を用いた電源ボードを初めて公開した。スイッチング素子はGaN HEMTとSi MOSFETをカスコード接続し、1パッケージ化したもの。同社はSiパワー半導体では実現不可能な領域からGaNパワー半導体を採用していく方針である。
カスコード接続を用いると、確立した既存の技術だけでGaN HEMTをノーマリーオフ化できる。ユーザーは、ノーマリーオフ動作をするチップとしてGaN HEMTを扱うことができる。これがメリットだ。一方、ノーマリーオフ動作を実現するために2つのトランジスタが必要になることや、GaN HEMTが単体で実現できる最高性能（スイッチング周波数）をカスコード接続では発揮できないという主張もある。
STMicroelectronicsは、2010年10月から42カ月（3年半）の予定で、高効率高信頼性GaNデバイスの開発を開始している＊4）。LAST POWER（Large Area silicon carbide Substrates and heTeroepitaxial GaN for POWER device applications）と呼ぶこの計画では、GaNウエハーを製造するスウェーデンAcreoなど欧州の14企業と組み、150mmのSiウエハーを利用して、HEMT構造のGaNデバイスを開発する。
＊4） 同社はGaNの前に、SiCパワー半導体の開発を先行させており、2012年第4四半期には1200V耐圧のSiC MOSFETを製品化する予定だ。1200V耐圧のIGBTと比較してダイの面積を64％低減できる見込みだという。
同社によれば、耐圧650Vで15A品と200A品を狙う。同じ耐圧のIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）と比較すると、損失を40％低減できる見込みだという。
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