シリコンと窒化ガリウム (GaN) 半導体：特性と用途の比較

窒化ガリウムは、金属有機化学気相成長法 (MOCVD) を使用して製造されるウルツ鉱結晶構造の半導体です。このプロセスでは、ガリウムと窒素が結晶を形成するために結合します。この合成にはさまざまな混合物が存在しますが、GaN 合成の一例としてアンモニア (NH3) を窒素源として使用し、トリメチルガリウムなどのガリウム源を使用します。
 
GaN の結晶構造には均一性の問題があり、1センチメートルあたり数百万の欠陥に達することがあります。しかし、最新の MOCVD 技術により、1センチメートルあたりの欠陥数を100から1000の範囲に減少させることができ、大きな GaN 結晶をウェーハとして成長・利用可能になりました。科学者が低い誤差範囲で GaN を合成できると、この化合物は半導体用途において望ましい特性を与えるいくつかの独特な結晶特性を持っています。

GaNとシリコンのバンドギャップの優位性

窒化ガリウムのシリコンに対する最大の利点の一つは、そのバンドギャップであり、これにより高電力アプリケーションに適したさまざまな電気的特性を備えています。窒化ガリウムのバンドギャップは3.2エレクトロンボルト (eV) であり、一方シリコンのバンドギャップは1.1 eVに過ぎません。GaNのバンドギャップはシリコンのほぼ3倍であるため、価電子を導電帯へ励起するのにかなり多くのエネルギーを使用します。この特性は、GaNの非常に低電圧アプリケーションでの使用を制限しますが、より高い温度でのGaNの大きな耐圧および熱安定性を可能にします。

GaN破壊電界

GaNの破壊電界は3.3 MV/cmであり、シリコンの破壊電界は0.3 MV/cmです。このため、窒化ガリウム半導体は、失敗する前に高電圧設計をサポートする能力がシリコンの10倍になります。より高い破壊電界は、窒化ガリウムが高電圧回路、例えば高出力製品においてシリコンより優れていることを意味します。製造業者やエンジニアは、同様の電圧アプリケーションでGaNを使用しつつ、非常に小さなフットプリントを維持することもできます。これに対してシリコンは、非常に高い電力密度を持っています。

ガリウムナイトライドとシリコンの電子移動度

シリコンの電子移動度は1500 cm2/Vsであるのに対し、窒化ガリウムの電子移動度は2000 cm2/Vsです。したがって、窒化ガリウム結晶内の電子はシリコンの電子よりも30%以上速く移動することができます。この電子移動度は、窒化ガリウムがシリコンよりも高いスイッチング周波数を処理できるため、RFコンポーネントでの使用において優れた利点をもたらします。

熱伝導率の比較

ガリウムナイトライドとシリコンの対比における欠点の一つは、その熱伝導率の低さです。ガリウムナイトライドの熱伝導率は1.3 W/cmKであり、シリコンの熱伝導率はわずか1.5 W/cmKです。ガリウムナイトライドは高い熱負荷を処理する能力が限られているかもしれませんが、GaNの同等の電圧での効率の高さにより、回路が生成する熱負荷が減少し、シリコンよりも冷却状態で動作します。   この熱伝導率の違いの一例として、EPC Corporationが120V対12V 12AのGaN FETとMOSFETを比較した際の40%の電力損失削減を示すデモンストレーションがあります。その結果として、GaN FETはほぼ10度低い温度で動作し、稼働中にエネルギーを節約します。

シリコンおよびGaN半導体の製造可能性

ガリウムナイトライドの技術的な問題は、その製造プロセスにあります。特にシリコンの広く採用され、商品化された製造プロセスと比較すると顕著です。たとえば、ガリウムナイトライドは、小さな面積に膨大な数の結晶欠陥を含んでいます。それに比べて、シリコンは平方センチメートルあたり100個という少ない欠陥を含む場合があります。この世紀が始まる前には、エンジニアは1平方センチメートルあたり10億個未満の欠陥でGaN基板を製造することができませんでした。
 
明らかに、この多量の欠陥／面積は、ほとんどの半導体製造設計要件を考慮すると非常に非効率的です。欠陥はまた、ガリウムナイトライド半導体基板の物理的なサイズによっても制約されていました。新しい製造技術により、欠陥の数はより効率的な数に減少しましたが、同じ量のGaNウエハを生産するコストは、シリコンと比べてもまだ競争力がありません。

窒化ガリウムはシリコンよりも優れているか？

GaNは、半導体用途で使用される際にシリコンに対して明確な利点を持っています。ガリウムナイトライドには2つの主要な課題があります:

• 製造における欠陥制御
• コスト効率を維持すること