GaN FET: 窒化ガリウム パワー トランジスタ

GaN FET (窒化ガリウム電界効果トランジスタ) は、ワイドバンドギャップのパワー半導体スイッチです。窒化ガリウム (GaN) と窒化アルミニウムガリウム (AlGaN) のヘテロ接合を用いて、高移動度の伝導チャネルを形成します。現代のパワー エレクトロニクスで高く評価されている窒化ガリウムFETは、従来のシリコン トランジスタに比べて、より高速なスイッチング、高い電力密度、低いオン抵抗を実現します。

多くの最新のGaNデバイスは標準的なシリコン ウェーハ上に製造されており、GaNの性能上の利点と、確立されたシリコン製造プロセスのコストメリットおよび拡張性を兼ね備えています。

窒化ガリウム トランジスタの種類

GaN HEMT、GaN FET、GaNトランジスタ、GaNパワー半導体などの用語はすべて、GaNトランジスタ製品を指すために使用される用語であることをご存知ですか?
 
  • GaN HEMT: 高電子移動度トランジスタ (HEMT) 構造を使用したGaNトランジスタの一種を指す技術的な呼称。GaN HEMT技術は、今日市販されているほとんどのGaNパワー トランジスタの基礎となっています。
  • GaN FET: 従来のシリコン電界効果トランジスタ技術に長年携わってきた人々による、GaNトランジスタの一般的な呼び方。
  • GaNトランジスタ: HEMTや、その他あまり使用されていないトランジスタ構造も含む、より広い用語。
  • GaNパワー半導体: GaNトランジスタをディスクリート デバイスとして、またはセンシング、ドライバなどの追加機能も統合したデバイスとして含む、非常に広い用語。
  • CoolGaN™トランジスタ: インフィニオンが開発したGaN HEMTトランジスタの特定のタイプ。高いデバイス性能、品質、信頼性で知られています。

GaN FET技術の利点

GaN FET技術の主な利点は以下のとおりです。

  • スイッチング速度の向上
  • 電力効率の向上
  • 損失の低減
  • 優れた熱特性

これらの利点により、設計者はほぼすべての電力レベルでより高い電力密度を実現でき、特に要求の厳しい高周波電力変換システムで効果を発揮します。

従来のシリコン デバイスと比較すると、GaNトランジスタはより小型の受動部品と冷却システムで済むため、よりコンパクトで効率的な設計を実現できます。

従来のシリコンMOSFETと比較した窒化ガリウム (GaN) トランジスタ


シリコンMOSFETに加えて、設計者はGaN技術を炭化ケイ素 (SiC) デバイスと比較することもよくあります。炭化ケイ素は超高電圧用途で選ばれることが多い一方で、GaN FETは高周波の電力変換システムにおいて、一般により優れたスイッチング性能を発揮します。

動作原理と2DEGチャネル

GaNのバンドギャップは約3.4 eVで、シリコンの1.1 eVのおよそ3倍です。これにより、この材料ははるかに高い臨界電界を持ちます。これにより、GaN FETを特徴付ける高い耐圧と低いオン抵抗が実現します。

パワーGaN FETは、一般に高電子移動度トランジスタ (HEMT) として設計されます。GaN HEMTデバイスは、従来の化学ドーピングを必要とせず、代わりに結晶材料の原子レベルの特性を利用して、優れた導電性を実現します。

二次元電子ガス (2DEG)

  • ヘテロ接合: 薄いAlGaNバリア層を、より厚いGaNバッファ層の上に成長させます。GaN材料には、強い自発分極と圧電分極が固有の性質として存在します。
  • 2DEGの生成: この分極により、電子が自然に結晶から引き出され、GaNとAlGaNの境界へ引き寄せられます。そこで電子は、厚さが約1 nmしかない非常に薄い層に集まります。これにより、二次元電子ガス (2DEG) が形成されます。
  • 電子移動度: 2DEGは高導電性チャネルを形成します。電子はこの平面内を自由に移動し、どの原子の格子にも束縛されません。その結果、原子による散乱がほとんど起こらず、非常に高速に移動できます。

GaN HEMTの構造、2DEGの物理、エンハンスメント モード アーキテクチャの詳細はこちら

スイッチング動作

市販のパワーGaN FETのほとんどはエンハンスメント モード (e-mode) デバイスであり、ノーマリーオフです。

  1. オフ状態 (VGS = 0 V): ゲートに電圧が印加されていない場合、ゲート下の2DEG層は空乏化 (消失) し、ソース-ドレイン間に電流が流れないようにします。
  2. ターンオン (VGS = Vth): ゲートに正のしきい値電圧を印加すると電界効果により、電子がゲート下の2DEGチャネルへ引き戻されます。これによりドレイン-ソース間の電気的経路が形成され、トランジスタに電流が流れます。
  3. ターンオフ (VGS = 0 V): ゲート電圧がゼロに低下すると、電子は直ちにゲート領域から拡散して離れ、2DEGチャネルが途切れてデバイスがオフになります。

スイッチングの違いが回路に与える影響

  • 逆回復がゼロ: シリコンMOSFETには、内部のボディ ダイオードを形成する寄生P-N接合があります。このダイオードが逆方向に導通すると、捕捉されたキャリアを掃き出すための時間とエネルギー (逆回復) が必要になります。GaN FETは2DEGに依存しており、物理的なP-N接合を持たないため、逆回復電荷はゼロです。これにより、高周波スイッチング時の電力損失と電磁干渉 (EMI) が大幅に低減されます。
  • 低い寄生容量: GaN FETは水平 (横方向) 構造のため、寄生容量 (入力/出力/逆方向) は、大型の垂直構造のシリコンMOSFETよりも大幅に小さくなります。デバイスのオン/オフに必要な電荷が少ないため、遷移がはるかに高速になります。
  • 逆方向導通: GaN FETは、逆方向導通のために低速なボディ ダイオードに依存しません。代わりに、2DEGチャネルを通して逆方向に電流を流します。これにより、逆回復電荷ゼロの同期整流器として動作します。

GaNについて詳しく見る

GaN FETに関するよくある質問

GaN FETは何に使用されますか？

GaN FETは、効率とサイズの両方が重要となる高周波 高密度の電力変換で使用されます。

代表的なアプリケーション例:

GaN技術は電気自動車でも重要性を増しており、高効率な車載充電器、DC-DCコンバータ、駆動系関連のサブシステム、補助電源用パワー エレクトロニクスを支えています。

これらは、スイッチング周波数を高くできることで磁気部品を小型化でき、システムの小型化と全体効率の向上が可能な用途で優れています。

主な違いは、各トランジスタがどのように電流を流すかです。シリコンMOSFETは、垂直方向のドープされたチャネルを使用し、ボディ ダイオードを内蔵しています。GaN FET (HEMT) は、AlGaN/GaNヘテロ接合における横方向の2DEGチャネルを使用し、ボディ ダイオードを持ちません。バイポーラ トランジスタなどの旧来技術とは対照的に、GaN FETは電圧制御で動作し、スイッチング損失が大幅に低く、スイッチング周波数もはるかに高くなります。

GaNはシリコンよりもバンドギャップが広く (約3.4 eV対1.1 eV) 、臨界電界も高いです。これにより、GaN FETはオン抵抗が低く、ゲート電荷が小さく、逆回復電荷がないため、より高速にスイッチングでき、損失も低減します。

シリコンMOSFETにも依然として用途があります。低コストで堅牢であり、真のアバランシェ耐量を備えているためです。

いいえ。横型GaN HEMTには、シリコンMOSFETのようなp-nボディダイオードはありません。それでも、2DEGチャネルを介して逆方向 (第3象限伝導) に導通でき、ダイオードのように振る舞います。ただし蓄積電荷がないため、逆回復損失は発生しません。トレードオフとして逆方向電圧降下が大きくなるため、デッドタイム管理が重要になります。

標準的なエンハンスメント モード (e-mode) のGaN FETは、標準的なボディダイオードを持たない横型デバイスであるため、衝撃電離が制御されたクランプ効果を生じず、したがってアバランシェ効果もありません。

しかし、定格650 VのGaN HEMTは、はるかに高い逆電圧に耐えることができ、650 VのシリコンMOSFETと同じドレイン電流値で910 Vに達します。

ただし、シリコン デバイスと同様に、この状態に耐えられるのは一定期間に限られます。インフィニオンのCoolGaN™デバイスは、定格を超える電圧スパイクに一定時間だけ一時的に耐えられるため、電流サージや電圧サージなどの極端な動作事象においても堅牢な動作が可能になります。

そのため、CoolGaN™のデータシートには、いくつかの有用な過渡電圧定格が記載されています。これらのパラメーターを用いることで、デバイスの過渡挙動を適切に記述できます。

HEMTは高電子移動度トランジスタ (High Electron Mobility Transistor) の略です。これは二次元電子ガス (2DEG) を介して導通します。この2DEGは、AlGaNやGaNなど、バンドギャップの異なる2つの半導体の接合部に形成されます。

電子は不純物を含まないチャネル内を移動するため、不純物散乱を回避し、非常に高い移動度に達します。

2DEG (二次元電子ガス) とは、AlGaN/GaNヘテロ接合界面に閉じ込められた、薄く導電性の高い電子シートのことです。これはドーピングではなく、自発分極と圧電分極によって形成され、高密度かつ高移動度のチャネルを形成します。

この2DEGは、GaN HEMTの電流経路です。

自動的ではありません。スイッチングの高速化には、二つの側面があります。利点としては、遷移あたりの損失エネルギーが低減し、より小型の受動部品を使用できるようになります。一方で、周波数が高くなると1秒あたりのスイッチング回数が増え、寄生インダクタンスや寄生容量の影響が大きくなって、新たな設計上の課題が生じる可能性があります。

そのため、エンジニアは速度を無差別に最大化するのではなく、GaNを用いてスイッチング損失と導通損失のバランスを最適化します。最高効率を実現するには、設計者はスイッチング速度と周波数を特定のトポロジー (例: 共振コンバータとハードスイッチング) に合わせて調整し、寄生損失を最小化するように基板レイアウトを最適化する必要があります。

GaNトランジスタでは、ノーマリーオフ (eモード) デバイスはゲートに0 Vを印加しているときはオフのままで、導通させるには正のゲート電圧が必要です。

一方、ノーマリーオン (dモード) デバイスは0 Vで自然に電流が流れ、オフにするにはゲートに負の電圧を印加する必要があります。RFアンプや特殊な防衛/衛星用電子機器では、ノーマリーオンが好まれます。

たとえば商用電源向けのパワー エレクトロニクスでは、ノーマリーオフが好まれます。インフィニオンの横型eHEMTは、本質的にノーマリーオフです。dモードGaNをノーマリーオフにする唯一の方法は、別のトランジスタを直列に追加することです。

その結果、共通ソース構成のシリコンMOSFETが共通ベース構成の空乏型GaN HEMTを駆動するカスコード トランジスタの組み合わせとなります。これを性能面で言い換えると、eモードは駆動が小さく、スイッチングが高速で、通常は回路部品点数も少なくて済みます。一方、dモードのカスコードは追加のダンピングが必要になることが多く、逆電流/di/dtの制限により実用的な動作周波数が制限される場合があります。