「半導体の材料は？」と聞かれたら、何を思い浮かべるでしょうか？
ひと昔前でしたら、Si（シリコン）が当たり前でしたし、今現在もパワー半導体の主力は、シリコン半導体です。
しかし、時代の変化とともに、急速に省エネルギー化やデバイスの小型化の需要が拡大し、シリコン半導体の限界が近づいてきていると言われています。
そんな中、次世代パワー半導体として、最近GaNやSiCが注目を浴び、また研究・開発が進められてることを、ご存知な方も多いはず。
「最近注目を浴びている」なんて言ってしまうと、数年前にGaNやSiCの研究が始まったかのように聞こえてしまうかもしれませんが、実際は1980年代からデバイスの開発が始まっていましたし、パワー半導体における実用化レベルの研究についても、10年以上前に開始されました。
NEDO「低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト」資料
今回はGaNの基礎に絞って、まとめてみました。
GaNってどんな物質？
GaN（窒化ガリウム）は、Ga（ガリウム）元素とN（窒素）元素を組み合わせた人工の化合物です。
ガリウムナイトライドとも呼ばれています。
周期表
それぞれの元素が、周期表でどこに位置しているのか見てみましょう。
参照：Yoshi-G’s Storage RoomGaは原子番号31の金属元素で、B（ホウ素）やAl（アルミニウム）などと同じⅢ族元素に属しています。
Nは原子番号7の非金属元素で、P（リン）やAs（ヒ素）などと同じⅤ族元素に属しています。
結晶構造
参照：Wikipedia電気をよく通す「導体」と、ほとんど電気を通さない「絶縁体」の中間の、「半導体」の性質を持ちます。
従ってGaNは、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体の一種となります。
このⅢ-Ⅴ族化合物半導体の中にも、実はいろいろな種類があります。
GaNは２元素系で、GaAsや、GaPがその同種です。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体の３元素系には、GaAlAsやInGaAs、４元素系にはGaInNAs、InGaAlPなどがあります。
これらも、電界効果型トランジスタや受光素子、太陽電池など、いろいろな用途で使われています。
GaN結晶技術の発明と青色LEDの発明
1985年に赤﨑勇教授と天野浩教授が、GaN結晶の生成技術の発明に成功しました。
そしてこれを元に、1993年に中村修二教授が、世界初の実用的な高輝度青色LEDを発明。
この3名の日本人研究者は、青色LEDの発明を評価され、2014年にノーベル物理学賞を受賞しています。
日本もまだ捨てたものじゃないですね。
GaNウェハ
GaNってどんなものか、興味がありますよね。
上記の日本ガイシのGaNウェハ、無色透明でとても美しいです。
GaNの用途
上記でも少し触れたように、GaNは、もともとは青色LEDや次世代DVD向け半導体レーザ用の材料として研究が進められました。
そして、GaNを用いた高輝度な青色LEDや緑色LED、Blu-ray Disc用の青紫色半導体レーザが製品化されています。
参照：GaN研究コンソーシアムGaNに関する動画
2015/10/16 に公開された、Panasonicの公式動画です。
４分弱ととても短い動画ですが、簡単、簡潔にGaNが説明されているので、お時間のある方はどうぞ。
GaNのメリットとデメリット
- 高い電力変換効率
- 高い電力密度／サイズの縮小
- 速いスイッチングスピード
これらのメリットは、本当に大きなもの。
なんといっても、「エコ、省エネ」なんですよね。
電力密度が高くなればなるほど、サイズが小さくて済みます。
サイズが小さくなれば、携帯などのデバイスも小型化が図れますよね。
「高い電力変換効率」とは、効率よく電力を変換できること。
すなわち、電力の消費量を抑えられるため、結果的に電気代が安くなります。
GaNは、スイッチングスピードにも優れています。
オフ→オンあるいはオン→オフが遅い、時間が掛かっているという事は、オフとオンの中間の状態に長く留まっているわけで、この状態ではスイッチング素子で損失、つまり不要な電力消費が発生してしまいます。
GaNは、スイッチングスピードが速いので、電力消費効率化が向上。
ということで、ここでも「エコ、省エネ」につながるわけです。
一般的にGaNは、スイッチング電源などの小型・高周波用途で有利だと言われています。
- 高加工コスト
- 低歩留まり
結局、GaNはSiに比べて「コストが高すぎ」るため、いまいち実用化に踏み切れない、ということでしょうか。
このデメリットの原因を、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の低炭素社会戦略センター（LCS）の資料「低炭素社会の実現に向けた技術および経済・社会の定量的シナリオに基づくイノベーション政策立案のための提案書」より抜粋します。
GaN は結晶成長時の晶癖のため、特に+C 軸方向に成長させると円錐型に直径がどんどん減少し、長い単結晶が取れないという問題もある。このため、単結晶から数枚～10 枚程度の基板しかとれず、高加工コスト、低歩留まりとなる問題もある。このように、現在の技術は、従来の既存結晶成長技術に比べて高コストとなり、また品質的にも改善の余地が大きい。
したがって、GaNを使用するメリットも大きいけれど、デメリットも大きいんですよね。
簡単に解決されるような問題ではありません。
ただ、開発はどんどん進んでいるので、この先いろいろな改善策が打ち出され、今以上に実用化されていくはずです。
SiCとともに、この先どうなっていくのか楽しみなGaN。
今後も動向を追っていきたいと思います。
moncanaさん、こんにちは。とてもわかりやすい説明で、私もGaNに興味が出ました。応用物理学会の研究会の内容も、落ち着かれたら是非お願いします！
はい、できるだけ早く研究会についてブログ記事にしたいと思います。
い、いつになるのかな…。
かぼちゃさんは、Ayumiさんの企画に参加されたんですね。
クッキーの型、むちゃくちゃ魅力的です。
ああ、私も早く参加したい！…って、参加本人は子どもですが。
最近、猛暑が続いていますが、お身体に気をつけてお過ごしくださいね。