GaN と SiC: 共存か代替か?

より高い電力密度と効率への取り組みは、データセンター、再生可能エネルギー、家庭用電化製品、電気自動車、自動運転技術など、複数の業界にわたるイノベーションの主な原動力となっています。ワイドバンドギャップ (WBG) 材料の分野では、窒化ガリウム (GaN) と炭化ケイ素 (SiC) が現在 2 つのコア プラットフォームであり、パワー半導体の革新をリードする極めて重要なツールとみなされています。これらの材料は、増え続ける電力需要に対応するためにパワー エレクトロニクス業界を大きく変革しています。

実際、SiC 業界の一部の大手企業も、GaN テクノロジーを積極的に研究しています。今年3月、インフィニオンはカナダのGaNスタートアップGaN Systemsを現金8億3,000万ドルで買収した。同様に、ロームは最近、PCIM Asiaで最新のSiCおよびGaN製品を展示しましたが、特にEcoGaNブランドのGaN HEMTデバイスに重点を置いています。逆に、2022年8月には、もともとGaN技術に注力していたNavitas SemiconductorがGeneSiCを買収し、次世代パワー半導体ポートフォリオを専門とする唯一の企業となった。

実際、GaN と SiC は、パフォーマンスとアプリケーションのシナリオにおいていくつかの重複を示します。したがって、システムの観点からこれら 2 つの材料の応用可能性を評価することが重要です。研究開発のプロセスではメーカーごとに独自の視点があるかもしれませんが、開発傾向、材料コスト、性能、設計機会などの多面から総合的に評価することが重要です。

GaNが対応するパワーエレクトロニクス業界の主なトレンドは何ですか?

GaN SystemsのCEOであるジム・ウィザム氏は、買収した企業の他の幹部のように撤退することを選択しなかった。代わりに、彼は頻繁に公の場に姿を現し続けています。最近の講演で同氏はGaNパワー半導体の重要性を強調し、この技術はパワーシステムの設計者やメーカーが現在パワーエレクトロニクス業界を変革している3つの主要なトレンドに対処するのに役立ち、GaNはそれぞれのトレンドで重要な役割を果たしていると指摘した。

GaN Systems CEO ジム・ウィザム

まず、エネルギー効率の問題です。世界の電力需要は 2050 年までに 50% 以上急増すると予測されており、エネルギー効率を最適化し、再生可能エネルギーへの移行を加速することが不可欠となっています。現在の移行はエネルギー効率に焦点を当てているだけでなく、エネルギーの独立性や主流の電力網との統合など、より困難な側面にも及んでいます。 GaN テクノロジーは、エネルギーおよびストレージのアプリケーションにおいて大幅な省エネルギーの利点をもたらします。たとえば、GaN を使用した太陽光マイクロインバーターは、より多くの電力を生成できます。 AC-DC 変換およびインバーターにおける GaN の応用により、蓄電池システムにおけるエネルギーの浪費を最大 50% 削減できます。

第二に、特に運輸部門における電化プロセスです。電気自動車は常にこのトレンドの焦点となってきました。しかし、特にアジアの人口密集都市部では、電動化が二輪および三輪交通（自転車、オートバイ、人力車など）に拡大しつつあります。これらの市場が成熟するにつれて、GaNパワートランジスタの利点はより顕著になり、GaNは生活の質の向上と環境保護において重要な役割を果たすことになります。

最後に、デジタル世界は、リアルタイム データの需要と人工知能 (AI) の急速な発展に対応するために、大きな変化を遂げています。データセンターにおける現在の電力変換および配電テクノロジーは、クラウド コンピューティングと機械学習、特に電力を大量に消費する AI アプリケーションによってもたらされる急速に増大する需要に追いつくことができません。 GaN テクノロジーは、エネルギー節約を達成し、冷却要件を削減し、費用対効果を高めることにより、データセンターの電源環境を再構築しています。生成 AI と GaN テクノロジーの組み合わせにより、データセンターのより効率的で持続可能で堅牢な未来が生み出されます。

ビジネスリーダーであり、熱心な環境擁護者であるジム・ウィザムは、GaN 技術の急速な進歩が電力に依存するさまざまな産業に大きな影響を与え、世界経済に重大な影響を与えると信じています。同氏はまた、GaNパワー半導体の収益が今​​後5年以内に60億ドルに達するという市場予測にも同意し、GaN技術がSiCとの競争において独自の利点と機会を提供すると指摘した。

競争力の観点から、GaN は SiC とどのように比較されますか?

過去には、GaN パワー半導体についていくつかの誤解があり、多くの人が家電製品の充電用途により適していると信じていました。ただし、GaN と SiC の主な違いは、その電圧範囲のアプリケーションにあります。 GaN は低電圧および中電圧のアプリケーションでより優れた性能を発揮しますが、SiC は主に 1200V を超える高電圧アプリケーションに使用されます。それにもかかわらず、これら 2 つの材料のどちらを選択するかには、電圧、性能、コスト要因を考慮する必要があります。

たとえば、2023 年の PCIM Europe 展示会では、GaN Systems は電力密度と効率の大幅な進歩を実証した GaN ソリューションを展示しました。 SiC トランジスタ設計と比較して、GaN ベースの 11kW/800V オンボード充電器 (OBC) は、電力密度が 36% 増加し、材料コストが 15% 削減されました。この設計には、ブリッジレス トーテムポール PFC 構成の 3 レベル フライング キャパシタ トポロジーとデュアル アクティブ ブリッジ テクノロジーも統合されており、GaN トランジスタを使用して電圧ストレスを 50% 削減します。

電気自動車の 3 つの主要なアプリケーションである車載充電器 (OBC)、DC-DC コンバーター、およびトラクション インバーターにおいて、GaN Systems はトヨタと協力して全 GaN 自動車のプロトタイプを開発し、米国の EV 新興企業に量産対応の OBC ソリューションを提供しました。 Canoo は、Vitesco Technologies と提携して 400V および 800V EV 電源システム用の GaN DC-DC コンバータを開発し、自動車メーカーにより多くの選択肢を提供します。

Jim Witham 氏は、現在 SiC に依存している顧客は、入手可能な材料が限られていることと、材料のコストが高いという 2 つの理由から、急速に GaN に切り替える可能性が高いと考えています。データセンターから自動車に至るまで、さまざまな業界で電力需要が増加する中、GaNテクノロジーへの早期移行により、これらの企業は将来競合他社に追いつくまでに必要な時間を短縮できるようになります。

サプライチェーンの観点から見ると、SiC は GaN に比べて高価であり、供給の制約に直面しています。 GaN はシリコン ウェーハ上に製造されるため、市場の需要の増加に伴って価格が急速に低下し、将来の価格と競争力をより正確に予測できます。逆に、SiC サプライヤーの数が限られており、通常は 1 年に及ぶ長いリードタイムにより、コストが増加し、2025 年以降の自動車製造の需要に影響を与える可能性があります。

スケーラビリティの点では、GaN は数十億の CMOS デバイスと同じ装置を使用してシリコン ウェーハ上に製造できるため、ほぼ「無限に」スケーラブルです。 GaN はまもなく 8 インチ、12 インチ、さらには 15 インチのウェハで製造できるようになりますが、SiC MOSFET は通常 4 インチまたは 6 インチのウェハで製造され、8 インチのウェハへの移行が始まったばかりです。

技術的性能の点では、GaN は現在世界最速のパワー スイッチング デバイスであり、他の半導体デバイスよりも高い電力密度と出力効率を実現します。これにより、デバイスのサイズが小さくなったり、充電速度が速くなったり、データセンターの冷却コストやエネルギー消費が削減されたりするなど、消費者や企業に大きなメリットがもたらされます。 GaN は非常に大きな利点を示します。

GaN で構築されたシステムは、SiC と比較して大幅に高い電力密度を示します。 GaNの採用が広がるにつれて、より小型の新しいパワーシステム製品が次々と登場していますが、SiCは同レベルの小型化を達成できません。 GaN Systems によれば、同社の第 1 世代デバイスの性能はすでに最新の第 5 世代 SiC 半導体デバイスの性能を上回っています。 GaN の性能は短期的には 5 ～ 10 倍向上するため、この性能差はさらに拡大すると予想されます。

さらに、GaN デバイスは、低ゲート電荷、ゼロ逆回復、平坦な出力容量などの重要な利点を備えており、高品質のスイッチング性能を実現します。 1200V 未満の中低電圧アプリケーションでは、GaN のスイッチング損失は SiC より少なくとも 3 倍低くなります。周波数の観点から見ると、現在、ほとんどのシリコンベースの設計は 60kHz ～ 300kHz で動作します。 SiC の周波数は向上していますが、GaN の向上はより顕著であり、500kHz 以上の周波数を達成しています。

SiC は通常 1200V 以上の電圧で使用され、650V に適した製品は少数しかないため、その用途は 30 ～ 40V の家庭用電化製品、48V のハイブリッド車、データセンターなどの特定の設計に限定されており、これらはいずれも重要な市場です。したがって、これらの市場における SiC の役割は限定的です。一方、GaN はこれらの電圧レベルに優れており、データセンター、家庭用電化製品、再生可能エネルギー、自動車、産業分野に大きく貢献します。

エンジニアが GaN FET (電界効果トランジスタ) と SiC の性能の違いをよりよく理解できるようにするために、GaN Systems は、それぞれ SiC と GaN を使用して 2 つの 650 V、15 A 電源を設計し、詳細な比較テストを実施しました。

GaN と SiC の直接比較

高速スイッチングアプリケーションにおいて GaN E-HEMT (強化型高電子移動度トランジスタ) とクラス最高の SiC MOSFET を比較することにより、同期降圧 DC-DC コンバータで使用した場合、GaN E-HEMT を備えたコンバータが優れていることがわかりました。 HEMT は、SiC MOSFET を使用したものよりもはるかに高い効率を示しました。この比較は、GaN E-HEMT が、スイッチング速度、寄生容量、スイッチング損失、熱性能などの重要な指標において、トップの SiC MOSFET よりも優れていることを明確に示しています。さらに、SiC と比較して、GaN E-HEMT は、よりコンパクトで効率的なパワーコンバータ設計を実現する上で大きな利点を示します。

特定の条件下で GaN が SiC を上回るパフォーマンスを発揮できる可能性があるのはなぜですか?

現在、従来のシリコン技術は限界に達しており、GaN が持つ数多くの利点を提供できません。一方、SiC の用途は特定の使用シナリオに限定されています。 「特定の条件下で」という用語は、特定の用途におけるこれらの材料の制限を指します。電力への依存がますます高まる世界において、GaN は既存の製品供給を改善するだけでなく、企業の競争力維持に役立つ革新的なソリューションも生み出します。

GaN パワー半導体が初期採用から量産に移行するにつれて、企業の意思決定者にとっての主な課題は、GaN パワー半導体がより高いレベルの全体的なパフォーマンスを提供できることを認識することです。これは、顧客が市場シェアと収益性を高めるだけでなく、運用コストと資本支出を効果的に削減するのに役立ちます。

今年9月、インフィニオンとGaN Systemsは共同で、新しい第4世代窒化ガリウムプラットフォーム（第4世代GaNパワープラットフォーム）を発売しました。 2022 年の 3.2kW AI サーバー電源から現在の第 4 世代プラットフォームまで、その効率は 80 Plus Titanium 効率基準を超えただけでなく、電力密度も 100W/in3 から 120W/in3 に増加しました。このプラットフォームは、エネルギー効率とサイズにおいて新たなベンチマークを設定するだけでなく、大幅に優れたパフォーマンスも提供します。

要約すると、SiC企業がGaN企業を買収する場合でも、GaN企業がSiC企業を買収する場合でも、根底にある動機は市場とアプリケーション分野を拡大することです。結局のところ、GaN と SiC はどちらもワイドバンドギャップ (WBG) 材料に属しており、酸化ガリウム (Ga2O3) やアンチモン化物のような将来の第 4 世代半導体材料が徐々に登場し、多様な技術エコシステムを形成するでしょう。したがって、これらの素材は互いに置き換えられるのではなく、集合的に業界の成長を推進します。**