第3世代半導体：窒化ガリウム

 

第3世代半導体とは、炭化ケイ素や窒化ガリウムに代表されるワイドバンドギャップ半導体であり、高周波、高効率、高出力、高耐圧、高温耐性、耐放射線性などに優れた優れた性能を有しており、高耐電圧、耐放射線性を備えた半導体です。省エネルギー、排出削減、インテリジェント製造、情報セキュリティ、その他の国家戦略上の主要なニーズは、新世代モバイル通信、新エネルギー自動車、高品質技術の独立した革新と開発、変革とアップグレードをサポートする主要なコア材料と電子部品です。 -高速鉄道、エネルギーインターネット、その他の産業に貢献しており、世界的な半導体技術と産業競争の焦点となっています。

第3世代半導体材料の5つの高い特徴

【一】　　

エネルギーバンドからみた半導体材料の3つの時代

第 3 世代の半導体材料は、高出力、高温、高周​​波、耐放射線性マイクロエレクトロニクス、短距離電子工学の分野において、シリコン (Si)、ゲルマニウム (Ge)、ガリウム砒素 (GaAs) よりも大幅に優れています。波長オプトエレクトロニクス、第 1 世代および第 2 世代の半導体材料の特性。第3世代半導体材料は、次世代情報技術、省エネ排出削減技術、国防安全保障技術を掌握するための戦略的司令塔となりつつあり、戦略的新興産業の重要な部分となっている。

第 3 世代半導体ツリー図

エネルギーバンドの観点から見ると、3つの半導体材料の時代に分けることもできます。

第一世代の半導体材料は、シリコンやゲルマニウムなどの元素半導体材料に代表されます。その代表的な用途は集積回路であり、主に低電圧、低周波数、低電力のトランジスタや検出器に使用され、将来的にもシリコン半導体材料の優位な地位は維持されるでしょう。しかし、シリコン材料の物性により、間接バンドギャップにより高い電気光変換効率が得られないなど、オプトエレクトロニクスや高周波電子デバイスへの応用が制限されています。また、その狭いバンドギャップ幅 (1.12 eV) と低い飽和電子移動度 (1450 cm2/V s) は、高周波および高出力電子デバイスの開発には適していません。

第2世代の半導体材料としては、ガリウムヒ素やインジウムリン（InP）が代表的です。ガリウムヒ素材料の電子移動度はシリコンの6倍であり、ダイレクトバンドギャップを有するため、シリコンデバイスに比べて高周波、高速の光電性能を有し、非常に適した半導体材料として認識されています。コミュニケーションのために。同時に、軍事電子システムにおけるその応用はますます広範囲にわたり、かけがえのないものになっています。ただし、禁制帯幅範囲は 1.35 eV (InP) ～ 2.45 eV (AlP) しかカバーしておらず、波長 506 ～ 918 nm の赤色光とそれより長い波長の光しかカバーできず、短波長および短波長の光のニーズを満たすことができません。中波長光電子デバイス。第 2 世代の半導体材料のバンドギャップは十分に大きくないため、破壊電界が低く、高温、高周​​波、高出力デバイスの分野での応用が大きく制限されます。さらに、GaAs 材料の毒性は環境汚染問題を引き起こし、人間の健康に潜在的な脅威をもたらす可能性があります。

第3世代半導体材料とは、III族窒化物（窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム（AlN）など）、炭化ケイ素、酸化物半導体（酸化亜鉛（ZnO）、酸化ガリウム（Ga2O3）など）、カルシウムチタン鉱石（CaTiO3）など）やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体材料。前 2 世代の半導体材料と比較して、第 3 世代の半導体材料は、バンドギャップが大きく、降伏電界が高く、熱伝導率が高く、電子飽和率が高く、放射線耐性が強いため、作製した半導体デバイスは、高温でも安定に動作するだけでなく、高電圧・高周波条件下でも信頼性が高く、より少ない消費電力で高い動作能力を得ることができます。

【二】

窒化ガリウム (GaN) 材料開発の可能性

窒化ガリウムはバンドギャップの広い材料であり、炭化ケイ素 (SiC) と同様の性能上の利点を提供しますが、コスト削減の可能性がより高くなります。業界は、今後数年間で、GaN パワーデバイスのコストがシリコン MOSFET、IGBT、整流器と同じ価格まで引き下げられると考えています。

窒化ガリウムパワーエレクトロニクスデバイスは、より高い動作電圧、より高いスイッチング周波数、より低いオン抵抗という利点を有し、極めて低コストで技術成熟度の高いシリコンベースの半導体集積回路プロセスと互換性があり、分野での発展の大きな可能性を秘めています。新世代の高効率・小型電力変換・管理システム、電気機関車、産業用モーターの分野。

高速、高温、高出力の半導体デバイスに対する需要の高まりにより、半導体業界は半導体で使用される設計と材料を再考するようになりました。より高速かつ小型のさまざまなコンピューティング デバイスが継続的に登場するにつれ、シリコン材料はムーアの法則を維持するのに苦労してきました。優れた雑音指数、高い最大電流、高い降伏電圧、高い発振周波数などの窒化ガリウム材料の独自の利点により、軍事、航空宇宙、防衛などのさまざまな用途に独自の選択肢を提供します。自動車分野、産業、太陽エネルギー、発電、風力などの高出力分野。

軍事、航空宇宙、国防、家庭用電化製品における窒化ガリウム光電子半導体の使用により、光電子半導体は世界の窒化ガリウム半導体デバイス市場の主要な製品タイプとなり、絶対的な支配的な地位を占めています。中でもパワー半導体デバイスは、産業用途における高出力デバイスの需要の増加に伴い、将来最も急速に成長するデバイスとなるでしょう。

窒化ガリウム (GaN) 材料の利点

GaN パワーデバイスの開発には、市場の需要を牽引することが極めて重要です。電源やPFC（力率補正）（2020年の市場を席巻する）から、UPS（無停電電源装置）やモータードライブに至るまで、多くのアプリケーション分野がGaN-on-Siパワーデバイスの特性から恩恵を受けることになるでしょう。

市場調査会社Yole Developpementは、これらの用途に加えて、純粋な電気自動車（EV）やハイブリッド電気自動車（HEV）も2020年以降、これらの新素材や新デバイスの採用を開始すると考えている。市場規模に関しては、GaN デバイス市場全体の規模は 2020 年に約 6 億米ドルに達する可能性があります。それまでに、6 インチのウェーハで約 580,000 個の GaN を処理できるようになります。EVおよびHEVが2018年または2019年からGaNを採用するとの仮定によれば、GaNデバイスの数は2016年から2020年にかけて平均年間成長率（CAGR）80％で大幅に増加すると予想されます。

5G技術の段階的な成熟により、RFフロントエンド（RFフロントエンド）チップ市場にビジネスチャンスがもたらされ、RFパワーアンプ（RF PA）の需要は今後も成長し続けるでしょう。金属酸化物半導体 (横方向拡散金属酸化物半導体、LDMOS; 低コストと高電力性能の利点を持つ LDMOS) プロセスは、特により多くのコンポーネントとより高度なコンポーネントをサポートする必要がある 5G テクノロジの下では、徐々に窒化ガリウム (GaN) に置き換えられます。一方、ガリウムヒ素 (GaAs) は比較的安定して成長します。新しい高周波技術の導入により、新しいプロセス技術でRF PAが実現され、その中でも出力が3Wを超えるGaN RF PAが主流のプロセス技術となり、LDMOSの市場シェアは徐々に減少すると予想されます。

5G テクノロジーはミリ波周波数と大規模 MIMO (Multi-Input Multi-Output) アンテナ アプリケーションをカバーし、5G ワイヤレス統合とアーキテクチャのブレークスルーを達成するため、Massive-MIMO とミリ波 (mmWave) バックホール システムを大規模に導入する方法将来がどうなるかが開発の鍵です。5Gの高周波化により、高出力、高性能、高密度の高周波部品の需要が高まっており、その中でも窒化ガリウム（GaN）はその条件を満たしており、GaN市場はより多くのビジネスの可能性を秘めています。チャンス。

5G商用化の推進でGaN RF市場の発展が加速

【三つ】

窒化ガリウム (GAN) とは何ですか?

GaN材料の研究と応用は、現在、世界的な半導体研究の最前線でありホットスポットであり、マイクロエレクトロニクスデバイスやオプトエレクトロニクスデバイスの開発のための新しい半導体材料であり、SICやダイヤモンドなどの半導体材料とともに知られています。第 1 世代の Ge、Si 半導体材料、第 2 世代の GaAs、InP 化合物半導体材料に続く第 3 世代の半導体材料の後継です。広い直接バンドギャップ、強い原子結合、高い熱伝導率、優れた化学的安定性（いかなる酸にもほとんど腐食されない）、強い耐放射線性などの特性を備えており、オプトエレクトロニクス、高温、高出力デバイスに使用され、高い幅広い特性を持っています。高周波マイクロ波デバイスの応用に期待。

窒化ガリウム (GAN) は、T=300K における第 3 世代半導体材料の代表的なものであり、半導体照明における発光ダイオードのコアコンポーネントです。窒化ガリウムは人工材料ですが、窒化ガリウムが自然に生成される条件は非常に厳しく、金属ガリウムと窒素から窒化ガリウムを合成するには2000度以上の高温と1万気圧近くの圧力が必要で不可能です。自然の中で。

第一世代の半導体材料はシリコンであり、主にデータの計算と保存の問題を解決することは誰もが知っていますが、第二世代の半導体はガリウムヒ素に代表され、光ファイバー通信に適用され、主にデータ伝送の問題を解決します; 第3回 窒化ガリウムに代表される次世代半導体は、電気と光の変換に優れ、マイクロ波信号の伝達効率が高いため、照明、ディスプレイ、そしてコミュニケーション。1998 年にアメリカの科学者が最初の窒化ガリウム トランジスタを開発しました。

【四】

窒化ガリウム（GAN）の性能特性

高性能：主に高出力、高電力密度、高動作帯域幅、高効率、小型、軽量など。現在、第一世代と第二世代の半導体材料は出力の点で限界に達しており、GaN半導体は熱安定性の点で優れているため、高動作パルス幅と高動作率を達成することが容易です。 、アンテナ要素レベルでの送信電力は 10 倍になります。

高い信頼性: パワーデバイスの寿命は温度に密接に関係しており、接合温度が高くなるほど寿命は短くなります。GaN 材料には高温接合と高い熱伝導率の特性があり、さまざまな温度でのデバイスの適応性と信頼性が大幅に向上します。GaN デバイスは 650°C を超える軍事機器で使用できます。

低コスト：GaN 半導体の適用により、送信アンテナの設計を効果的に改善し、送信コンポーネントの数や増幅段の数などを削減し、コストを効果的に削減できます。現在、新しいレーダーやジャマー用のT/R（受信/送信）モジュール電子デバイス材料として、GaAsに代わってGaNが使用され始めています。米軍の次世代AMDR（固体アクティブフェーズドアレイレーダー）にはGaN半導体が使われている。大きなバンドギャップ、高い降伏電圧、高い熱伝導率、高い電子飽和ドリフト速度、強い放射線耐性、優れた化学的安定性などの窒化ガリウムの優れた特性により、これまで理論上最高の電気光学および光電変換効率が得られます。それは、広帯域、高出力、高効率のマイクロエレクトロニクス、パワーエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、およびその他のデバイスを製造するための重要な基礎材料となる可能性があります。

GaNの広いバンドギャップ（3.4eV）とサファイアなどの材料が基板として使用されており、放熱性能が高く、高電力条件下でのデバイスの動作に役立ちます。III族窒化物材料およびデバイスの研究開発の継続的な深化に伴い、GaInN超高青色LEDおよび緑色LED技術が商品化され、現在、世界中の大手企業や研究機関が青色LEDの開発に多額の投資を行っています。競争のこと。

【五】

窒化ガリウムの用途

1. 新しい電子機器

GaN 材料シリーズは、低い発熱率と高い絶縁破壊電界を備えており、高温、高出力の電子デバイスや高周波マイクロ波デバイスの開発にとって重要な材料です。現在、GaN 材料の応用における MBE 技術の進歩と主要な薄膜成長技術の進歩により、GaN のさまざまなヘテロ構造の成長に成功しています。金属電界効果トランジスタ (MESFET)、ヘテロ接合電界効果トランジスタ (HFET)、変調ドープ電界効果トランジスタ (MODFET) などの新しいデバイスが GaN 材料を使用して作成されています。変調ドープ AlGaN/GaN 構造は、高い電子移動度 (2000 cm2/v s)、高い飽和速度 (1×107 cm/s)、および低い誘電率を備えており、マイクロ波デバイスの製造に好ましい材料です。GaN 広いバンドギャップ (3.4eV) )、サファイアやその他の材料が基板として使用されており、放熱性能が高く、高電力条件下でのデバイスの動作に役立ちます。

2. 光電子デバイス

GaN材料シリーズは理想的な短波長発光デバイス材料であり、GaNおよびその合金のバンドギャップは赤色から紫外までのスペクトル領域をカバーしています。1991年に日本がホモ接合GaN青色LEDを開発して以来、InGaN/AlGaNダブルヘテロ接合超高輝度青色LEDやInGaN単一量子井戸GaN LEDが次々と世に出てきました。現在、Zcd および 6cd の単一量子井戸 GaN 青色および緑色 LED が量産段階に入っており、長年にわたる市場における青色 LED のギャップを埋めています。輝く

効率を特徴とする LED の開発の歴史を図 3 に示します。青色発光デバイスは、高密度光ディスク、全光学ディスプレイ、レーザープリンターなどの情報アクセスの分野で巨大な応用市場を持っています。III族窒化物材料およびデバイスの研究開発の継続的な深化に伴い、GaInN超高青色LEDおよび緑色LED技術が商品化され、現在、世界中の大手企業や研究機関が青色LEDの開発に多額の投資を行っています。競争のこと。

日亜化学工業は、1993年にZnドープGaInNを活性層として使用し、外部量子効率2.7%、ピーク波長450nmのLCDを超える発光輝度を有する高輝度GaInN/AlGaNヘテロ接合青色LEDを初めて開発した。同社は1995年に、光出力2.0mW、輝度6cd、ピーク波長525nm、半値幅40nmのGaN緑色LED製品を製品化した。最近、同社は青色 LED と燐光技術を使用して、色温度 6500K、効率 7.5 ルーメン/W の白色固体発光デバイス製品を発売しました。日亜化学工業以外にも、HP社やCree社などが自社の高輝度青色LED製品を相次いで発売している。高輝度 LED の市場は、1998 年の 3 億 8,600 万ドルから 2003 年には 10 億ドルに急増すると予想されています。高輝度 LED の用途には主に、自動車照明、交通信号機、屋外道路標識、フラットゴールドディスプレイ、高密度 DVD ストレージ、青緑色光から海底通信などがあります。

III 族窒化物青色 LED の開発に成功した後、研究の焦点は III 族窒化物青色 LED デバイスの開発に移り始めました。青色 LED には、光制御測定や情報の高密度光ストレージの分野で幅広い応用の可能性があります。現在、日亜化学工業は GaN 青色 LED の分野で世界のリーダーであり、その GaN 青色 LED は室温で 2mW の連続動作で 10,000 時間を超える寿命を持っています。HP は、基板としてサファイアを使用し、光リッジ導波路の屈折率誘導型 GaInN/AlGaN 多重量子井戸青色 LED の開発に成功しました。Cree Research は、横型デバイス構造である SiC 上に作られた CWRT 青色レーザーを初めて報告しました。日亜化学工業、CreeResearch、ソニーなどの企業に続いて、富士通は、室温でCWで使用できるInGaN青色レーザーの開発を発表した。その構造はSiC基板上に成長し、垂直伝導構造（P型とn型）を備えている。型コンタクトはウェーハの上部と裏面にそれぞれ作られます）。これは、垂直デバイス構造を備えた最初に報告された CW 青色レーザーです。

検出器としては、波長369nmのGaN紫外検出器を開発しており、Si検出器と同等の応答速度を実現しています。しかし、この分野の研究はまだ初期段階にあります。GaN 検出器は、火炎検出やミサイル早期警戒に重要な用途を持ちます。

【六】

新しいインフラが窒化ガリウムの開発を加速

GaNワイドバンドギャップパワーエレクトロニクスデバイスは、パワーエレクトロニクス分野の発展の方向性を示すものであり、材料、プロセスの両面で解決すべき課題が多く、たとえそれらの課題が解決されたとしても、価格はシリコンベースに比べて依然として高価であるはずです。2019年までに、シリコン上のGaNの価格はシリコン材料の価格に匹敵するレベルまで下がる可能性があると予想されています。シリコン完全制御デバイスがシリコンハーフ制御デバイスを完全に置き換えることができないのと同様に、SiC および GaN ワイドバンドギャップパワーエレクトロニクスデバイスも完全に置き換えられる可能性は低いです。将来的にはシリコンパワー MOSFET と IGBT、および GTO (IGCT を含む) を置き換えます。SiC パワー エレクトロニクス デバイスは主に 1200 V を超える高電圧産業用途で使用され、GaN パワー エレクトロニクス デバイスは主に 900 V 未満の家庭用電化製品およびコンピュータ/サーバーの電源用途で使用されます。

第 3 世代の半導体材料としての GaN の特性により、GaN は 4G や将来の 5G テクノロジーなどのアプリケーションにより適していることがわかります。現在の市場状況から判断すると、携帯電話端末のPAやLNAでは依然としてGaAsが主流であり、基地局RFではLDMOSが主流となっています。しかし、Si材料やGaAs材料は徐々に性能の限界に達しており、無線通信分野ではGaN半導体の利用が進むことが予想されます。

第 3 世代の半導体高周波電子デバイスは、民生分野と軍事分野の両方で大規模な応用を実現しています。特に、高周波、高出力、広い帯域幅という性能上の利点により、GaN 無線周波電子デバイスおよびモジュールは、5G 移動通信基地局の建設においてかけがえのない役割を果たしており、我が国の 5G 建設の加速は、 GaN の開発 高周波エレクトロニクスの需要が急速に増加。

 

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