GaNパワーデバイスとは～デバイスの特長・メリットと評価時の注意点をわかりやすく解説～

みなさん、こんにちは。

評価解析技術課の中松です。

パワーデバイスの材料としては、従来Siが主に使用されてきました。しかし近年では、より優れた物性を持つ次世代材料として、SiCやGaNを用いたパワーデバイスの採用が広がっています。特にGaNパワーデバイスは、小型ACアダプタやサーバー電源など、小型化や高効率化が重視される用途で注目されています。

一方で、GaNは高速動作が可能な反面、回路設計や評価時には従来のSiデバイス以上に注意が必要です。

本記事では、GaNパワーデバイスの特長・メリットと評価時に押さえておきたい注意点について解説します。

GaNパワーデバイスの物性面の特長・メリット

まず、Si、SiC、GaNの代表的な物性値を比較すると、GaNはSiよりバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界も高いワイドバンドギャップ半導体です。これにより、高耐圧化、高温動作、低リーク化が期待できます。さらに、飽和電子速度が高いため、高速スイッチングに適している点も大きな特長・メリットです。

そのためGaNは、高速スイッチングを活かしてスイッチング周波数を高め、小型化や高電力密度化を実現したい用途に向いています。特に、ACアダプタやサーバー電源のように、限られたスペースで高効率を求められる機器との相性が良い材料です。

一方、SiCもGaNと同様に優れた物性を持っていますが、熱伝導率が高いことから、高電圧・大電力領域での損失設計や熱設計、堅牢性が重視される用途に適しています。たとえばEVインバータ、鉄道、電力インフラなどでは、SiCが選ばれるケースが多く見られます。

GaNの物性面の特長　※参考値

GaNパワーデバイスの構造

GaNパワーデバイスには大きく分けて横型と縦型の構造がありますが、現在広く普及しているのは横型GaN、いわゆるGaN HEMTです。GaN HEMTは、主にSi基板上にGaN層とAlGaN層を積層した構造をとります。AlGaN/GaNの界面ではヘテロ接合が形成され、分極の効果によって高い電子密度を持つ2次元電子ガス、すなわち2DEGが生じます。この2DEG層が電流の通り道となることで、低オン抵抗化や高速動作に寄与します。

横型GaN(GaN HEMT)の構造

GaNパワーデバイスの電気的特性とメリット

一般的に普及している600〜650V級デバイスを想定すると、GaN HEMTは同耐圧クラスのSi MOSFETと比べて、ゲート電荷が小さく、高速スイッチングを実現しやすいのが特長・メリットです。これによりスイッチング損失を抑えやすく、より高いスイッチング周波数での動作が可能になります。スイッチング周波数を上げられると、インダクタやコンデンサなど周辺受動部品の値を小さくしやすくなるため、電源回路全体の小型化や高電力密度化につながります。

600〜650V級デバイスの代表的な電気的特性の傾向　※参考値、製品により異なる

GaNパワーデバイスの評価時の注意点

GaNパワーデバイスは高速動作が可能である一方、その速さゆえに回路設計や評価では注意点が増えます。ここではダブルパルス試験を例に、GaNパワーデバイス評価時に気を付けるポイントを説明します。

ダブルパルス試験の回路

(1)寄生インダクタンスの低減

プリント基板には、意図しない寄生インダクタンスが必ず存在します。これはパワー主回路だけでなく、ゲートドライブ回路にも含まれ、波形リンギングの原因となります。GaNデバイスは高速で動作するため、わずかな寄生インダクタンスでも大きなリンギングが発生しやすく、最悪の場合は定格超過によってデバイス破壊につながる可能性があります。特にGaNデバイスはSiデバイスと比べてゲート耐圧が低いため、注意が必要です。

そのため、評価回路や基板設計では、配線ループを極力小さくすること、電流経路を短くすること、スナバコンデンサやバイパスコンデンサを適切に配置することなどにより、寄生インダクタンスを低減する必要があります。

(2)セルフターンオン対策

GaNパワーデバイスに限りませんが、FETには各端子間に寄生容量が存在します。高速スイッチング時にドレイン‐ソース間で大きなdv/dtが生じると、主にドレイン‐ゲート間の寄生容量、いわゆるミラー容量（Cgd）を介して変位電流が流れ、ゲート電圧が押し上げられることがあります。この結果、しきい値を超えると、意図しないターンオン、すなわちセルフターンオンが発生します。GaNデバイスは高dv/dtになりやすく、しきい値電圧が低い製品も多いため、Siデバイス以上にセルフターンオン対策が重要になる場合があります。

対策としては、ゲート抵抗の最適化、寄生インダクタンスの低減によるリンギング抑制に加え、必要に応じてミラークランプ回路やゲート負電源の活用も検討します。

セルフターンオン現象

(3)高周波数帯域を有する測定機の使用

GaNデバイスは高速でスイッチングするため、スイッチング波形を正しく観測するには、オシロスコープだけでなく、電流プローブや電圧プローブにも十分な周波数帯域が必要です。測定対象の立ち上がり時間に対して十分な帯域を持つセンサやプローブを選定することが重要です。たとえば電流測定では、高帯域な同軸シャント抵抗などが有力な選択肢となります。電圧測定についても、高帯域のプローブを用いることが重要です。

Wave Technologyのパワーデバイス評価サービス

GaNパワーデバイスは、従来のSiデバイスと比べて高速で高性能な一方、正確に評価するためには、評価回路、基板設計、測定設備のいずれにも十分な配慮が必要です。

Wave Technologyでは、こうした点に配慮した評価基板や設備を用意しています。GaNパワーデバイスの評価をご検討の際は、ぜひお気軽にご相談ください。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。

＜関連リンク＞

【採用】

人材採用（インターンシップ・新卒・中途）

【関連リンク】

WTIブログもご覧ください

【関連ブログ】