GaN-on-SiliconおよびGaN-on-Silicon Carbide半導体

窒化ガリウム (GaN) トランジスタは、シリコン上に成長させたもの (GaN-on-Silicon) と炭化ケイ素上に成長させたもの (GaN-on-Silicon Carbide) のいずれも、ワイドバンドギャップ技術による高効率の利点を活用していますが、コスト、熱性能、最適な用途の重点は大きく異なります。

GaN-on-Siliconは一般に低コストで、民生用電子機器 (急速充電器) 、データセンター、ロボット/ロボティクス、自動車用パワートレインなどの10 kHz～10 MHzアプリケーションに適しています。

一方、GaN-on-SiCは優れた熱マネージメントと高い電力密度を備えているため、通常GHz帯のスイッチング領域で動作する通信インフラに適した選択肢です。

GaN-on-SiliconとGaN-on-Silicon Carbideの比較

GaN-on-SiliconとGaN-on-Silicon Carbideの比較

GaN-on-SiliconとGaN-on-SiCの共通点

基板は異なりますが、両者にはいくつかの共通する強みがあります。どちらも高効率かつ高速で、従来のシリコン (Si) MOSFETやIGBTと比べてスイッチング速度が大幅に速く (MHz帯) 、導通損失 (RDS(on)) も低いため、効率が向上します。

どちらもワイドバンドギャップ半導体として、高い電子移動度と高い絶縁破壊電界強度 (従来のシリコンのおよそ10倍) を持つGaNを用いるため、より小型で薄型のGaNデバイスでより高い電圧に対応できます。

どちらも、Si MOSFETに見られる寄生ボディダイオードをなくすことで寄生要素を低減し、その結果、逆回復損失もなくします。最後に、どちらも従来のシリコンより耐熱性が高く、高温をより適切に扱えます。

GaN-on-SiliconとGaN-on-SiCの違い

SiCとGaN-on-Siの選択における主な違いは、以下の表に示すとおり、熱性能、コスト、集積性、結晶品質にわたります。

構造比較: GaNエピタキシャル成長と層スタック

どちらの構成も、2次元電子ガス (2DEG) チャネルを形成する同一の最上層アクティブ領域を共有しています。一方で、格子不整合と熱膨張の不整合に対応するための下地側の構造的な支持 (応力緩和) 構造は大きく異なり、ここがGaNエピタキシャル成長で最も差が出る点です。

アクティブ領域は両者で同一です。純粋なGaNチャネル層の上に、薄い窒化アルミニウム ガリウム (AlGaN) 層を成長させます。このヘテロ接合における自発分極と圧電分極により、意図的なドーピングなしに、高密度かつ高移動度の2DEGチャネルが自然に形成されます。

GaN-on-Siliconの層スタックは、SiとGaNの大きな格子不整合 (約17%) および熱膨張係数 (TEC) の不整合 (約56%) に対処しなければなりません。冷却時にウェーハが反ったり割れたりするのを防ぐため、メーカーはSi基板上に、段階的なAlGaN層やAlN/GaN超格子などの非常に複雑で厚い遷移層を成長させる必要があります。その結果、エピタキシャル層の総厚は5 µm～7 µmになります。

GaN-on-SiC層構造は、格子不整合がはるかに小さく (約3%) 、GaNとの熱膨張係数 (TEC) の整合性も高いという利点があります。その結果、遷移領域は構造的に単純で、多くの場合、薄い窒化アルミニウム (AlN) の核生成層だけで済みます。活性GaN層における欠陥 (転位) 密度は、GaN-on-Siliconの場合よりも大幅に低くなります。

インフィニオンのGaN技術

インフィニオンでは、GaN-on-SiliconをRF製品とパワー製品の両方に使用しています。両製品ラインはいずれもGaN-on-Silicon技術を活用していますが、インフィニオンのRF GaN-on-SiliconとCoolGaN™ファミリーは、まったく異なる物理原理に基づいて設計されています。

主な違いは動作目的にあります。RF GaN-on-Siliconは複雑な無線信号を処理するための高周波リニア増幅器として機能するのに対し、CoolGaN™は電力変換のための超高速な2値 (オン/オフ) スイッチとして機能します。

RFおよびパワー用途における主要な構造上および動作上の相違点

以下の表にまとめたように、これら2つの製品ファミリーはそれぞれ異なる物理特性に合わせて調整されています。

詳細解説: 最適化ベクトル

3つの最適化ベクトルが、2つの製品ファミリーを区別しています。

デバイス アーキテクチャ: Dモードvs. Eモード

RF GaN-on-Siliconでは、ネイティブGaN材料が自然に導電性の2DEGチャネルを形成し、空乏モード (ノーマリーオン) のデバイスになります。これはRF設計で好まれます。チャネルを絞り込まずに残すことで、ギガヘルツ帯の動作で電子移動度と電力利得を最大化できるためです。一方、CoolGaN™ は、制御回路が故障した場合に電源を遮断できるよう、エンハンスメントモード (ノーマリーオフ) である必要があります。これは、電力網と電子機器の安全性に不可欠です。

これを実現するために、インフィニオンは特殊なp型GaNゲート構造を追加し、正の電圧が印加されるまで2DEGチャネルを遮断するようにエネルギーバンドを変化させています。

レイアウト目標: 寄生容量低減とオン抵抗 (RDS (on)) 低減の両立

RF GaN-on-Siliconデバイスでは、フィードバック容量を最小化することだけを目的に設計された高度なフィールドプレート構造を使用します。この容量を低減すると位相ひずみを防ぎ、広い動作帯域幅を実現できるため、5G波形に適した安定した「Doherty対応」のデバイスになります。

一方、CoolGaN™ デバイスは、発熱を抑えるために単位面積あたりのオン抵抗 (RDS(on)) を可能な限り低くするよう最適化されています。さらに、トランジスタがオン/オフを切り替える際のエネルギー損失を最小化するため、出力電荷 (Qoss) を超低減にするよう調整されています。

回路トポロジー

RF GaN-on-Siliconは、ドハティ電力増幅器やエンベロープ トラッキング構成で使用され、信号の線形性、搬送波対干渉比、および誤差ベクトル振幅 (EVM) の管理が重要です。

CoolGaN™ は、インターリーブド トーテムポールPFC (Power Factor Correction) やLLCコンバーターなどの共振型ハード/ソフト スイッチング トポロジーに採用されており、ボディダイオードがないため逆回復電荷 (Qrr) 損失を完全に排除できます。

デバイス アーキテクチャ: Dモードvs. Eモード

RF GaN-on-Siliconでは、ネイティブGaN材料が自然に導電性の2DEGチャネルを形成し、空乏モード (ノーマリーオン) のデバイスになります。これはRF設計で好まれます。チャネルを絞り込まずに残すことで、ギガヘルツ帯の動作で電子移動度と電力利得を最大化できるためです。一方、CoolGaN™ は、制御回路が故障した場合に電源を遮断できるよう、エンハンスメントモード (ノーマリーオフ) である必要があります。これは、電力網と電子機器の安全性に不可欠です。

これを実現するために、インフィニオンは特殊なp型GaNゲート構造を追加し、正の電圧が印加されるまで2DEGチャネルを遮断するようにエネルギーバンドを変化させています。

レイアウト目標: 寄生容量低減とオン抵抗 (RDS (on)) 低減の両立

RF GaN-on-Siliconデバイスでは、フィードバック容量を最小化することだけを目的に設計された高度なフィールドプレート構造を使用します。この容量を低減すると位相ひずみを防ぎ、広い動作帯域幅を実現できるため、5G波形に適した安定した「Doherty対応」のデバイスになります。

一方、CoolGaN™ デバイスは、発熱を抑えるために単位面積あたりのオン抵抗 (RDS(on)) を可能な限り低くするよう最適化されています。さらに、トランジスタがオン/オフを切り替える際のエネルギー損失を最小化するため、出力電荷 (Qoss) を超低減にするよう調整されています。

回路トポロジー

RF GaN-on-Siliconは、ドハティ電力増幅器やエンベロープ トラッキング構成で使用され、信号の線形性、搬送波対干渉比、および誤差ベクトル振幅 (EVM) の管理が重要です。

CoolGaN™ は、インターリーブド トーテムポールPFC (Power Factor Correction) やLLCコンバーターなどの共振型ハード/ソフト スイッチング トポロジーに採用されており、ボディダイオードがないため逆回復電荷 (Qrr) 損失を完全に排除できます。

パワー エレクトロニクス設計にGaNを使用する理由は？

CoolGaN™の実力を動画でご覧ください。効率向上、サイズと重量の削減、システム全体のコスト低減といった実用上のメリットを紹介しています。

GaNの詳細

パワー半導体分野のグローバルリーダーによるGaNに関する知見をさらにご覧ください。

GaN-on-SiliconおよびGaN-on-Silicon Carbideに関するよくある質問

GaN-on-SiliconおよびGaN-on-SiCのトランジスタ技術とは、具体的にどのようなものですか？

どちらもワイドバンドギャップ (WBG) 半導体積層構造であり、高性能な電子移動度を実現するために、窒化ガリウム (GaN) 層を活性半導体材料として使用しています。両者の違いは、GaN膜を成長させるために使用するベース基板ウェーハが、シリコン (Si) か炭化ケイ素 (SiC) かという点です。

インフィニオンはGaN-on-Siliconを提供しています。同社は、主に大幅なコストスケーリング、量産性、および高い電気的性能を実現するために、RF市場と電力市場の両方でGaN-on-Silicon技術を採用しています。成熟したシリコン サプライチェーンを活用することで、インフィニオンは先進的なワイドバンドギャップ デバイスを商業的に実現可能な価格帯で製造できます。両市場は、GaN材料の基本特性 (高い電子移動度、高い絶縁破壊電圧、高い臨界電界) の恩恵を受けています。

RF市場における利点には、コスト効率の高い5G/6Gのスケーリング、6 GHz超の周波数で高集積RFパワーアンプ (RF PA) を商業的に実現可能な価格帯で提供できること、無線インフラに必要な高電力密度による効率および小型化のメリット、さらにアクティブ アンテナ システム (AAS) の厳しいサイズ制限に適合できることが含まれます。電力変換市場における利点には、より高い効率と小型化があります。スイッチング速度の高速化により、熱として失われるエネルギーが大幅に低減され、電源、太陽光発電インバーター、車載システムにおけるサイズと重量を大きく削減できます。さらに、GaN-on-Siliconとインフィニオンの先進パッケージング コンセプトを組み合わせることで寄生要素を最小化し、超高速かつ信頼性の高いスイッチングを実現できるため、先進パッケージングも利点です。

これらのRFおよび電力市場のどこで、なぜGaNが適しているのかの詳細については、インフィニオンの「Where, why GaN」概要をご覧ください。

RFアプリケーション全体にわたり、GaN-on-Siliconはいくつかの分野をサポートしています。5Gインフラでは、5Gネットワークの展開により、ミリ波周波数帯で動作可能な高効率パワーアンプが求められます。GaN-on-Siliconは基地局向けの高出力RF送信機を実現し、代替ソリューションと比べて効率を向上させ、システムコストを削減します。

航空宇宙およびレーダー システムでは、防衛および航空宇宙用途で、数GHzからマイクロ波周波数にわたって高出力を供給できるRFコンポーネントが必要です。GaN-on-Siliconアンプは、消費電力を最小限に抑えながら、信号到達距離と信頼性を高めるために使用されています。衛星通信では、広大な距離にわたって信頼性の高い信号伝送を維持するために高出力RF送信機が用いられます。GaN-on-Siliconは、小型で高性能なソリューションを提供し、効率と信号品質を向上させます。

また、無線電力伝送でも、高周波動作が効率的なエネルギー伝送に不可欠であるため、GaN-on-Siliconは重要な役割を果たしています。

パワー エレクトロニクス分野において、GaN-on-Siliconは、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン向けの高効率 超小型充電器などの民生用電子機器、自動車 (低電力補助システム、ワイヤレスEV充電、電気自動車向けの高効率オンボード充電器 (OBC) など) 、データセンター (エネルギー損失と冷却要件を最小限に抑える高密度電源やサーバーラック) 、産業およびモーター ドライブ (ロボット、ドローン、e-bike向けの高精度モーター コントローラーなど。より滑らかな性能と静かな動作を実現) にわたります。

インフィニオンのRF GaN PAMおよびMMICは独自のASIC (特定用途向け集積回路) であるため、技術データシートや評価モジュールにアクセスするには、インフィニオンと企業間で直接NDA (秘密保持契約) を締結する必要があります。基地局アーキテクチャを計画しているハードウェア開発者の方は、お問い合わせください。

GaN-on-SiCは、窒化ガリウム (GaN) 膜を炭化ケイ素 (SiC) 基板上に成長させたワイドバンドギャップ半導体積層構造であり、高密度 高移動度の2次元電子ガス (2DEG) チャネルを形成します。

GaN-on-Siliconと比較すると、SiC基板は熱伝導率が大幅に高く (優れた放熱性のため約370～490 W/m·K) 、GaNとの格子不整合も小さい (約3%) ため、結晶品質が向上し、構造的により単純な遷移領域 (多くの場合、薄い窒化アルミニウム (AlN) の核生成層のみ) を実現します。

これらの特性により、GaN-on-SiCは、マクロ基地局、レーダー、防衛、高出力EVトラクション インバーター、産業用コンバーターなど、一般にGHzスイッチング領域の高出力 高周波アプリケーションで好まれる選択肢です。トレードオフとして、基板コストが高く、ウェーハサイズが小さい (通常100～150 mm) 点が挙げられます。

GaN-on-Siは、標準的なシリコン (Si) 基板上に窒化ガリウム (GaN) 膜を成長させたワイドバンドギャップ半導体積層構造であり、GaNデバイスで広く用いられているのと同じ高密度 高移動度の2次元電子ガス (2DEG) チャネルを形成します。その決定的な利点はコストとスケールです。成熟した200～300 mmのシリコン ファブとサプライチェーンを活用でき、CMOSや3Dスタッキングとのモノリシック集積が容易で、広範なシリコン エコシステムの恩恵も受けられます。

トレードオフとして、基板の熱伝導率が低い (約150 W/m·K) こと、GaNとの格子不整合 (約17%) および熱膨張不整合 (約56%) がはるかに大きいことが挙げられます。そのため、厚く複雑な遷移層が必要になります。GaN-on-Siは一般的に10 kHz～10 MHzの用途に適しており、民生用充電器、EV車載充電器、データセンター、スモールセル、ミッドバンドMassive MIMOなどで使用されています。

インフィニオンでは、GaN-on-SiがRF製品ラインとCoolGaN™パワー製品ラインの両方を支えています。

どちらが普遍的に「優れている」ということはありません。両者は異なる目的に合わせて最適化されているため、適切な選択は用途によって異なります。GaN-on-Siは、成熟した200～300 mmのシリコンファブと、CMOSとのモノリシック集積が比較的容易であることを活かし、コスト、ウェーハサイズ、製造性、集積化の面で優れています。GaN-on-SiCは、熱マネージメント (約370～490 W/m·Kに対し約150 W/m·K) 、結晶品質 (格子不整合が約3%に対し約17%) 、および高出力密度の面で優れています。

これは一般的な適用先に直結します。GaN-on-Siはスモールセル、ミッドバンドMassive MIMO、民生用充電器、EV車載充電器に適しており、GaN-on-SiCはマクロ基地局、レーダー、防衛、高出力EVトラクション インバーター、産業用コンバーターに適しています。

最終的な判断は、どちらかの基板が優れていると断言するのではなく、コスト、周波数、電圧、熱要件を対象用途に適合させることにあります。

GaN-on-Siliconプロセスでは、シリコン基板上にGaN膜を成長させますが、シリコンはGaNに対して格子不整合 (約17%) と熱膨張係数 (TEC) の不整合 (約56%) が非常に大きいため、実現が困難です。冷却時にウェーハが反ったり割れたりするのを防ぐため、メーカーはシリコン基板上に、段階的なAlGaN層やAlN/GaN超格子などの非常に複雑で厚い遷移層を成長させ、エピタキシャル層の総厚を約5 µm～7 µmまで増やしています。

さらに、アクティブ領域は、純粋なGaNチャネル層の上に薄い窒化アルミニウム ガリウム (AlGaN) 層を成長させることで形成されます。このヘテロ接合における自発分極と圧電分極により、意図的なドーピングなしに、高密度かつ高移動度の2DEGチャネルが自然に形成されます。

このプロセスの利点は、成熟した大口径シリコンファブとサプライチェーンを活用して、費用対効果の高い大量生産を実現できることです。