窒化ガリウムを利用した LED 照明は、すでに世界中で電力使用量を大幅に削減しており、46 年後にはその削減効果は XNUMX% に達すると予測されています。
しかし、電力の消費に関して言えば、別のエレクトロニクスがあります。 テクノロジー それは、世界的な炭素排出量を削減するという重要な取り組みにおいてさらに価値があることが証明される可能性があり、それが電力変換です。
照明における GaN の台頭と並行して、パワー エレクトロニクスのパッケージング技術の進歩も同様に重要です。 GaN と SiC の採用には、増加した電力能力を管理するための革新的なアプローチが必要です。ヒートシンク技術の最近の発展は特に注目に値し、高出力デバイスの熱性能を維持し、さまざまなアプリケーションにわたって信頼性と効率を確保する上で重要な役割を果たしています。
ほとんどの人は、電力変換技術が自分たちにどのような影響を与えるか全く知りませんが、このプロセスは世界中で 1 日に何兆回も行われており、携帯電話から電気自動車、医療システムや産業システムに至るまで、あらゆるものの機能を可能にしています。実際、交流を直流またはその逆に変換する必要があるあらゆる用途に使用できます。そして、このプロセスを可能にする電子機器やシステムの非効率性により、膨大な量の地球エネルギーが毎日無駄にされています。
電力変換における最新テクノロジー
GaN および SiC の製造では、基板の選択が極めて重要です。 GaN-on-silicon は既存のインフラストラクチャを利用しており、通常は 650V に制限されていますが、GaN-on-Qromis 基板技術 (QST) の出現により、より厚いエピタキシャル層が可能になります。この技術革新により、最大 1,200 V 以上の高電圧での動作が可能になり、高電圧パワー エレクトロニクス アプリケーションにおける GaN および SiC の範囲が拡大します。
さまざまなパワー エレクトロニクス デバイスの作成と実装のおかげで、このような電力変換の非効率の削減において電子的に大きな進歩があったと言っても過言ではありません。
GaN テクノロジーの影響は従来のパワー エレクトロニクスを超えて広がり、再生可能エネルギー システムに大きな影響を与えます。高効率で知られる GaN デバイスは、太陽電池パネルや風力発電所などのシステムの二酸化炭素排出量を大幅に削減でき、地球環境保全の取り組みに沿って、より持続可能で環境に優しいエネルギー ソリューションに貢献します。
この点で重要な役割を果たしているのは、絶縁ゲート型バイポーラ トランジスタ (IGBT）。このデバイスは電力変換設計にうまく機能しており、特にレガシー アプリケーションでは今後も機能し続けるでしょう。しかし長期的には、先進的な窒化ガリウム (GaN) と炭化ケイ素 (SiC) 半導体 デバイスが今後の前進となるでしょう。
GaN および SiC の製造においてより大きなウェーハ直径への移行には、いくつかの課題が生じます。ストレスを管理し、既存のテクノロジーをより大きなウェーハに適応させることが重要なハードルです。 8 インチ ファブへの戦略的移行は、より大きなウェーハの利点を活用することを目的としていますが、複雑かつ綿密な開発プロセスが必要であり、GaN や SiC などの先進材料の分野における半導体製造の複雑な性質を浮き彫りにしています。
バンドギャップ係数
GaN と SiC は両方とも、ワイドバンドギャップ半導体と呼ばれるデバイスのクラスに属します。半導体のバンドギャップは、電子が価電子帯から伝導帯にジャンプするのに必要なエネルギー (電子ボルト) として定義されます。価電子帯は、電子が占める特定の物質の原子の最も外側の電子軌道にすぎません。
価電子帯の最も高い占有エネルギー状態と伝導帯の最も低い非占有状態との間のエネルギー差はバンドギャップと呼ばれ、材料の導電率を示します。バンドギャップが大きいということは、価電子を伝導帯に励起するために多くのエネルギーが必要であることを意味します。逆に、金属のように価電子帯と伝導帯が重なっている場合、電子は 2 つのバンド間を容易に移動できるため、その材料は導電性が高いと分類されます。
導体、絶縁体、半導体の違いは、バンドギャップの大きさでわかります。絶縁体はバンドギャップが大きいという特徴があるため、電子を価電子帯の外に移動させて電流を形成するには大量のエネルギーが必要です。導体は伝導帯と価電子帯の間に重なりがあるため、そのような導体の価電子は自由です。
ただし、半導体のバンドギャップは小さいため、材料の少量の価電子が伝導帯に移動できます。この特性により、導体と絶縁体の間に導電性が与えられ、導体のような短絡を引き起こさないため、回路に最適である理由の 1 つとなります。
GaN デバイスと SiC デバイスはどちらも、電力変換の効率レベルを高め、それによって大幅な電力を節約できるという大きな可能性をすでに実証しています。
これら 2 つのテクノロジーには他方に比べて利点があり、これらを考慮すると、現時点ではどちらも電力変換において重要な位置を占めるように見えます。しかし、どのような違いがあるのでしょうか?
フェールオープン要因
SiC ベースの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) には、フェールオープン デバイスであるという利点があります。
これは、回路に障害が発生すると、デバイスが電流を流すのを停止することを意味します。これにより、故障による短絡や火災や爆発の可能性が排除されます。しかし、この有益な、そして時には不可欠な機能は、その電子がそれほど速く移動しないことを意味し、残念なことに、これにより抵抗が増加し、効率的な電力変換の主な敵となります。
高い電子移動度を備えた GaN ベースのデバイスに参入してください。 GaN トランジスタは、デバイスを流れる電流のほとんどが電荷量ではなく電子速度によるものであるため、異なります。これは、デバイスをオンまたはオフに切り替えるには、電荷がデバイスに入る必要があることを意味します。これにより、各スイッチング サイクルに必要なエネルギーが削減され、より効率的な電力変換動作が実現されます。
ただし、特定のテクノロジーが勝者であると考えるのではなく、GaN と SiC の両方の異なる動作特性とそれに伴う利点が、特定のアプリケーションでは有益になる場合があることを覚えておく必要があります。
電気自動車 (EV) の設計、特に車両のインバーターが行う仕事、つまり基本的な電力変換に関するワイドバンドギャップの決定に関して、自動車メーカーとその選択を見てみましょう。
EV には、リチウム電池からの DC 電流を車両の電気モーターが使用できる AC 電流に変換するインバーターが必要です。イーロン・マスク氏がテスラ車に選んだのはSiCデバイスのサプライヤーであり、現在では中国の自動車メーカー、BYD、トヨタ、ヒュンダイ、メルセデスも追随している。
ただし、自動車メーカーにとって、SiC デバイスはすべて独自の方法で対応できるわけではありません。
GaN ではハードスイッチングが使用されるため、EV インバータではスイッチング速度の高速化が可能となり、大きな利点となります。これにより、オンからオフに急速に切り替わり、デバイスが高電圧を保持して大電流を流す時間が短縮され、性能が向上します。
EV には通常、インバータのほかに車載充電器が搭載されており、AC を DC に変換することで主電源から車両を充電できます。ここでもGaNは非常に魅力的です。
自動車用途で SiC を使用するには、いくつかの課題が伴います。 SiC 基板は決して安くはなく、デバイスを製造するための部品表のコストの 50% 近くを占めます。また、SiC は本質的に歩留まりの低い製造プロセスであり、ウェーハは透明であるため、プロセスを監視するための高価な計測機器が必要です。
SiC デバイスの製造は、Si ベースの半導体の製造よりも難しく、SiC の硬度によりエッチングやゲート酸化プロセスが困難になります。
自動車製造に関しては、自動車メーカーは生産ラインの流動を維持するために大量の製品を供給する必要がありますが、ここでは SiC の供給が限られており、これが自動車業界での採用のもう 1 つの障害となっています。
SiC と比較して、GaN は安価な Si 基板上に成長します。ただし、大電流アプリケーションでは、SiC と比較してより大きなダイ サイズが必要になります。
コンポーネントの信頼性パラノイア
Si 基板の使用は、格子不整合や転位などの問題を引き起こす場合があり、その結果、ゲート電流のリークや信頼性の低下が引き起こされます。また、動作不良により自動車の保証返品が増加し、その後自動車メーカーの製品の一部を食いつぶすため、自動車メーカーはコンポーネントの信頼性について偏執的になっています。利益。
確かに、GaN に関するこれらの問題は、エピタキシー層を厚くすることで簡単に解決できますが、その場合、コンポーネント全体のコストが上昇することになり、またしても、自動車メーカーは供給されるコンポーネントの価格に関して非常にコスト意識が高くなっています。 。
自動車用途に適した半導体デバイスを作成するには、常に温度を考慮する必要があります。GaN は Si 基板上に成長するため、その熱伝導率は Si 基板の性能に影響されます。
GaN には高出力自動車アプリケーション (10 kW 以上) には制限があり、600 V 未満のデバイスに推奨されますが、マルチレベル電源トポロジーを備えたインバーター市場に参入する可能性があります。自動車メーカーがインフォテインメント、高速通信、カメラ、レーダーなどの機能に必要な電力が増え続ける中、48V システムへの関心が高まっています。この点では、コスト競争力に優れたＧａＮが適している。
パワーエレクトロニクスの将来展望
前述したように、GaN によりシステムレベルのコスト削減が可能になります。デバイスとシステムのコストは、基板コスト、ウェーハ製造、パッケージング、および製造プロセスの全体的な歩留まりによって決まります。
SiC と GaN は、異なる電圧、電力、アプリケーションのニーズに対応します。 SiC は、高い通電能力で最大 1,200V の電圧レベルに対応します。そのため、車載用インバーターや太陽光発電所での用途に適しています。
あるいは、高周波でのスイッチング機能とコスト上の利点により、GaN は 10 kW 未満のアプリケーションの多くの設計者にとって最適なデバイスとなっています。
つまり、これらは 2 つのバンドギャップ テクノロジの運用上の違いのほんの一部であり、どちらが全体的な勝者になるかという主要な質問に答えることは、現段階では不可能です。主な理由は、主にどちらもパフォーマンスの点で常に進化しているためです。
将来に目を向けると、パワー エレクトロニクス業界は酸化ガリウム (Ga2O3) などの新興材料に注目しています。 Ga2O3 は有望な可能性を秘めていますが、業界の保守的な性質を考慮すると、その採用は段階的に行われるでしょう。これらの新規材料が広く受け入れられ、高出力シナリオに応用できるかどうかは、実証済みの実績を確立できるかどうかにかかっています。
GaN は、高温で動作しながら、非常に高速なスイッチングを実現する機能を備えています。また、サイズの利点もあり、二酸化炭素排出量が低いと考えられており、製造コストの点でも非常にリーズナブルです。
SiC の観点から見ると、電気自動車市場に関しては、これらのデバイスのメーカーにとって状況は良好に見えます。
コンサルティング会社マッキンゼーによると、800Vバッテリー電気自動車（BEV）は効率が高いためSiCベースのインバーターを使用する可能性が最も高く、75年末までにBEVが電気自動車のXNUMX％を占めると予想されている市場。
2 つのテクノロジー間の技術的な違いはさておき、アナリストや専門家は、残りの 10 年間にこれら 2 つのテクノロジーがどれだけ売れていくかについて何と言っているでしょうか?
業界専門家のさまざまな意見から平均すると、SiC は好調で、売上高は 29% の年間平均成長率 (CAGR) を達成し、12 年までに世界規模で 2030 億ユーロに達すると考えられます。
GaN デバイスの売上高についても同様に、財務状況はバラ色に見えます。市場アナリスト間の CAGR 数値にはばらつきが大きい傾向がありますが、全体の平均数値は 26% であり、売上高は 10 年までに約 2030 億ユーロに達すると予想されます。
したがって、技術的能力、アプリケーションの多様性、そして半導体企業が大儲けする能力の点で、GaN と Sic を区別するものはあまりなく、したがってバンドギャップ競争で最終的に勝者がいるとすれば、おそらくそれがなるでしょう。どちらが最も破壊的なテクノロジーを実証できるかによって決まります。