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（3/3 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。

[畑陽一郎，EE Times Japan]

GaNとSiCを組み合わせたサンケン電気

　サンケン電気は、2012年7月、385Vを入力し、200Vで出力するDC-DCコンバータ回路を試作した。500kHzでスイッチング動作させた場合、変換効率は97％弱に達するという（図3）。試作回路では0.6kWの電力を変換している。500kHzというスイッチング周波数をこのような条件下で実現することは、Siパワー半導体では難しい。

図3　500kHz動作のDC-DCコンバータ回路　絶縁型電流共振DC-DCコンバータである。1次側はハーフブリッジ、2次側はダイオード整流である。後述するドライバ内蔵のGaN FETを2個、SiC SBD（ショットキーバリアダイオード）を2個使った。写真では、入力電圧384.5V、入力電力0.6196kW、出力電力0.5999kWと表示されており、効率は96.817％である。2012年7月に開催されたTECHNO-FRONTIER 2012で展示したもの。

　ノーマリーオフ動作はどのように実現したのだろうか。「HEMT構造を採ったが、断面構造と材料の工夫によってノーマリーオフ動作を実現している。外部にSi MOSFETなどを接続したカスコード構成ではない。一部厳しい条件では誤動作が発生する可能性があるため、SiCのゲートドライバと併せて1パッケージ化した」（サンケン電気 技術本部開発統括部次世代デバイス開発部GaN開発グループの金子信男氏）。Si基板を利用し、バッファー層を設けて、その上にAlGaN/GaN構造を作り込んだ。

　同社は2001年からGaNパワー半導体の開発を続けている。開発のロードマップはこうだ。2012年末から2013年にかけてGaNパワー半導体のパッケージ品の量産を開始し、その後、SiCパワー半導体の量産へと進む予定だ。

　「GaNパワー半導体では10〜20A、300〜600Vの領域を狙う。なお当社は、20〜50A、600〜1200Vの領域を対象として、SiCの研究開発も続けている」（サンケン電気）。

ロームはノーマリーオフ動作の新手法を開発

　ロームはSiC SBDとSiC MOSFETを組み合わせた「フルSiCパワーモジュール」の量産開始を2012年3月に発表するなど、SiCで先行している（関連記事）。

　次はGaNだ。ノーマリーオフ化の手法はどうするのだろうか。「ノーマリーオフ化のために、カスコード接続は利用しない。なぜならSiを併用するとSiのスイッチング特性で全体が律速されてしまうからだ」（ローム 研究開発本部先端化合物半導体研究開発センターリーダーの黒田尚孝氏）。

　ロームはGaNだけでノーマリーオフ動作を実現する。p型のGaNをゲートの下に作り、pn接合の空乏層でゲートを制御し、ノーマリーオフ動作をさせる研究が各社で進んでいる^＊5）。ただし、この手法だと、p型のGaNの特性に引っ張られて、GaNの最大のメリットである高速スイッチングが犠牲になるという。そこで、ロームではp型のGaNを使わず、ゲートの直下をエッチングで薄くし、空乏化させることで、ノーマリーオフ動作させる手法を開発したとした。「数十MHz動作にはまだ成功していないが、ノーマリーオフ特性は悪くない」（同氏）。

＊5） Efficient Power Conversionは、量産出荷中の「eGaN FETs」シリーズ（耐圧40〜200V）に同手法を採用している。パナソニックも同手法に基づいた素子を開発中だ。

　同社はGaNで耐圧100〜600Vの領域、電流は10〜100Aの領域を狙う（図4）。SiCとの住み分けはスイッチング周波数だという。「数MHzまでの領域はSiとSiC、10MHz以上がGaNだと考えている。例えばEVの無線充電ではISM帯を使うことが考えられる。このとき13MHzや16MHz、21MHzでのスイッチングが必要だ。これはSiCでも厳しい領域だ」（黒田氏、図5、図6）。

図4　GaNを採用した昇圧チョッパ回路 AlGaN/GaN HEMTを利用した（図中央の丸い穴が開いた長方形のチップ）。以下、2012年7月に開催されたTECHNO-FRONTIER 2012で展示したもの。

図5　昇圧チョッパ回路の構成と動作　スイッチング周波数10MHzで動作させたときの状態。なお、図中左下にあるLTC4449（リニアテクノロジー）は、同期整流式降圧DC-DCコンバータのMOSFETに向けたゲートドライバIC。

図6　ロームが考えるGaNパワーモジュールの用途　スイッチング周波数を高めることで、周辺部品を小さくできること（図左）の他、ワイヤレス給電において、コイル間での変換効率が高まるメリットを挙げている（図右）。