窒化ガリウム (GaN) アプリケーションの長所と短所

世界が半導体における新たな機会を模索する中、窒化ガリウムは、将来の電力および RF アプリケーションの潜在的な候補として引き続き注目されています。しかし、これだけの利点があるにもかかわらず、依然として大きな課題に直面しています。 Pタイプ（Pタイプ）の商品はございません。なぜ GaN が次の主要な半導体材料としてもてはやされているのか、なぜ P 型 GaN デバイスがないことが大きな欠点なのか、そしてこれは将来の設計に何を意味するのでしょうか?

エレクトロニクスでは、最初の電子デバイスが市場に登場して以来、4 つの事実が維持されています。それは、デバイスはできるだけ小さく、できるだけ安く、できるだけ多くの電力を供給し、できるだけ少ない電力を消費する必要があるということです。これらの要件はしばしば互いに矛盾することを考えると、これら 4 つの要件を満たす完璧な電子デバイスを作成しようとするのは少し夢物語ですが、それでもエンジニアはそれを実現するために全力を尽くしています。

これら 4 つの基本原則を使用して、エンジニアは、コンピューターを部屋サイズのデバイスから米粒よりも小さいチップ、無線通信とインターネットへのアクセスを可能にするスマートフォン、および仮想現実システムに小型化するなど、一見不可能に見えるさまざまなタスクを達成することに成功しました。ホスト コンピューターから独立して着用および使用できるようになりました。しかし、エンジニアがシリコンなどの一般的に使用される材料の物理的限界に近づいているため、デバイスを小型化し、消費電力を削減することは不可能になりつつあります。

その結果、研究者は、そのような一般的な材料に代わる可能性のある新しい材料を常に探しており、より効率的に動作する小型のデバイスを提供し続けています。窒化ガリウム (GaN) は、明らかな理由から、シリコンと比較して多くの注目を集めている材料の 1 つです。

GaNの優れた効率

まず、GaN はシリコンよりも 1,000 倍効率的に電気を伝導し、より高い電流での動作が可能になります。これは、GaN デバイスが、多くの熱を発生させることなく、大幅に高い電力で動作できるため、同じ電力でも小型化できることを意味します。

GaN の熱伝導率はシリコンよりわずかに低いですが、その熱管理の利点により、高出力エレクトロニクスに新たな道が開かれます。これは、航空宇宙や自動車エレクトロニクスなど、スペースが貴重で冷却ソリューションを最小限に抑える必要があるアプリケーションにとって特に重要であり、高温でも性能を維持できる GaN デバイスの能力は、過酷な環境でのアプリケーションでの可能性をさらに強調します。

第 2 に、GaN のバンドギャップが大きい (3.4eV 対 1.1eV) ため、絶縁破壊前に高電圧での使用が可能になります。その結果、GaN はより多くの電力を供給できるだけでなく、より高い効率を維持しながらより高い電圧でそれを行うことができます。

電子移動度が高いため、GaN をより高い周波数で使用することもできます。この要因により、GaN は GHz 範囲をはるかに超えて動作する RF 電力アプリケーション (シリコンでは困難な点) にとって重要になります。

ただし、熱伝導率の点ではシリコンの方が GaN よりわずかに優れています。これは、GaN デバイスの熱要件がシリコン デバイスよりも高いことを意味します。その結果、熱伝導率の欠如により、高出力で動作する場合に GaN デバイスを縮小する能力が制限されます (熱を放散するには大きな材料の塊が必要となるため)。

GaNのアキレス腱 - P タイプなし

高周波数、高電力で動作できる半導体があることは素晴らしいことですが、GaN にはさまざまな利点がありますが、多くの用途でシリコンに代わる能力を大きく妨げる大きな欠点が 1 つあります。それは、P 型が存在しないことです。

おそらく、これらの新しく発見された材料の主な目的の 1 つは、効率を劇的に向上させ、より高い電力と電圧をサポートすることであり、現在の GaN トランジスタがこれを達成できることは疑いの余地がありません。ただし、個々の GaN トランジスタはいくつかの優れた特性を提供しますが、現在の商用 GaN デバイスはすべて N 型であるという事実により、非常に効率的であるという能力が損なわれます。

この理由を理解するには、NMOS および CMOS ロジックがどのように動作するかを調べる必要があります。 NMOS ロジックは、その製造プロセスと設計が単純であるため、1970 年代から 1980 年代に非常に人気のあるテクノロジーでした。 N型MOSトランジスタの電源とドレインの間に接続された単一の抵抗を使用することにより、そのトランジスタのゲートはMOSトランジスタのドレインの電圧を制御することができ、事実上非ゲートを実現します。他の NMOS トランジスタと組み合わせると、AND、OR、XOR、ラッチなどのすべてのロジック コンポーネントを作成できます。

ただし、この技術は単純ではありますが、抵抗を使用して電力を供給するため、NMOS トランジスタがオンのときに抵抗で多くの電力が浪費されることになります。単一ゲートの場合、この電力損失は最小限ですが、小型の 8 ビット CPU に拡張すると増加する可能性があり、デバイスが発熱し、単一チップ上のアクティブなデバイスの数が制限される可能性があります。