スマートフォンをはじめとするモバイル機器の充電器で、最近よく目にするのが「ＧａＮ搭載」の文字だ。このＧａＮとは「窒化ガリウム」という化合物を指し、要するにＧａＮを用いたパワー半導体が搭載されていることを意味する。このＧａＮパワー半導体を搭載している充電器は、従来品よりも速く充電でき、充電器本体も小型化されていることが特徴で、商品の差別化キーワードになっているのだ。

　ＧａＮパワー半導体は、シリコンウエハー上にＧａＮを成膜して製造されるため、正確にはＧａＮ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎパワー半導体と呼ばれる。一般的なパワー半導体はシリコンのみを用いて製造されるが、ＧａＮはその物性上、シリコンでは実現できない性能を出すことができる。ＧａＮはシリコンに比べて理論上、電力損失を示す「オン抵抗」を同じサイズなら３桁も小さくすることができ、高速なスイッチングを実現することができる。これにより、ＳｉＣ（炭化ケイ素：シリコンカーバイド）ほど耐圧を高くすることはできないものの、電源を小型にできる。低発熱で省エネである点も大きな利点だ。

　ＧａＮパワー半導体の可能性は早くから世に知られていて、これまで研究開発の域をなかなか出なかったが、近年になって性能や信頼性が向上してきたことで、充電器などの民生機器に搭載されるようになった。

省エネに寄与

　モバイル充電器では、中国Ａｎｋｅｒや米ＲＡＶＰｏｗｅｒをはじめとする多くのメーカーがＧａＮ搭載モデルを市場投入。この流れはパソコンにも波及しつつあり、台湾のＡＳＵＳは超ハイエンドノートＰＣ「ProArt StudioBook One」の付属ＡＣアダプターにＧａＮを採用して小型化した。さらに、スマートフォンでも中国のシャオミがフラッグシップモデル「Mi 10 Pro」に65ＷのＧａＮ電源アダプターを同梱させた。わずか35〜45分でフル充電が完了するといい、２０２０年内に韓国サムスン電子、米アップル、中国ファーウェイらが追随する可能性もささやかれている。

　このように、ＧａＮパワー半導体を採用する利点は「急速に充電できること」や「電源を小型かつ省エネにできること」にある。現在は６インチのシリコンウエハーをベースに製造されるケースが多いため、８インチや12インチのシリコンウエハーで製造されるシリコンパワー半導体に比べて割高だが、低発熱や充電時間の短縮が、企業や製品にとってＧａＮを採用する大きなモチベーションになっている。生産数量の増加で量産コストが下がれば、さらに採用が広がっていきそうだ。

　モバイル機器用の充電器に続いて、ＧａＮパワー半導体の採用が広がりそうな巨大市場がデータセンター（ＤＣ）向けのサーバー用電源だ。ＧａＮをサーバー用電源に採用すれば、ＤＣ運営者のメリットは大きい。ＤＣは、密閉された空間で多数のサーバーを24時間３６５日稼働させ続けるため、常に一定の温度に保つように莫大(ばくだい)なコストをかけて空調をフル稼働させている。ＧａＮの採用で電源が低発熱になれば空調コストを大幅に低減できるため、電源のコストが多少高くなっても採用メリットが大きいのだ。

　台湾のデルタ電子が電源ユニット「80Plus Platinum 800 Watt PSU」を商品化済みであるほか、ＴＤＫ子会社のＴＤＫラムダもＡＣ−ＤＣ電源モジュール「PFH500F-28」をリリースした。新型コロナ禍による通信需要の増大によって投資再開の機運が高まるＤＣなどへの採用拡大が期待できる。

電動車に採用

　今後の伸びしろという観点では、電動車の急速充電周りが最も大きいかもしれない。電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、マイルドハイブリッド車など、どのタイプの電動車が世界の主流になるかは現時点で見通しづらい上、急速充電の方式も日本のＣＨＡｄｅＭＯ（チャデモ）や欧米のＣＣＳ１／ＣＣＳ２、中国のＧＢ／Ｔ、テスラのスーパーチャージャーなど国や地域によって異なるが、航続距離の延長と充電時間の短縮は「相反する永遠の課題」といえる。

　既にＧａＮパワー半導体を自動車の充電周りに採用する動きが顕在化しており、ティア１の仏ヴァレオは、マイルドハイブリッド車を含む48ボルト（Ｖ）システム向けにＧａＮを搭載した車載充電器を開発中。また、車載部品メーカーのマレリは３月、ＧａＮパワー半導体のファブレス企業である米Transphorm（トランスフォーム）と電動システムの新技術開発に関して戦略的提携を結んだ。提携にあたってマレリは「電力変換技術はＥＶの将来に欠かせない。こうした技術への投資は、より低コストでＥＶの高性能化を実現するために重要であり、最終的にＥＶのコストを下げる製品を実現する」と期待を述べている。

　ちなみに、トランスフォームは米カリフォルニア大学サンタバーバラ校（ＵＣＳＢ）のウメーシュ・ミシュラ教授らが中心になって設立したベンチャー企業で、13年に富士通グループとＧａＮ事業を統合した。19年12月には、ドイツに本社を置く航空機部品メーカーのAES（Aircraft Elektro/Elektronik System）が同社のＧａＮパワー半導体を採用したことを明らかにし、きわめて高い信頼性が要求される航空機業界にもＧａＮの性能が認められたことを印象づけた。ＧａＮを採用した電源ユニットは、従来のシリコンベースの電源ユニットと比較してシステム効率を10％以上改善したという。

大手も積極的に展開

　現在のところ、ＧａＮパワー半導体メーカーとしては、このトランスフォームのほか、米国のNavitas SemiconductorやGaN Systems、EPC（Efficient Power Conversion）、Power Integrationsといった新興メーカーが活躍しているが、近年では独インフィニオンテクノロジーズや米テキサス・インスツルメンツ（ＴＩ）、英ダイアログ・セミコンダクターなどの大手半導体メーカーが事業展開を積極化する動きも目立ち始めた。また製品面では、これまで主流だった６５０Ｖから８００Ｖ、９００Ｖへラインアップを拡充する流れも出てきた。

　スイスのＳＴマイクロエレクトロニクスは２月、世界最大の半導体ファウンドリー（受託生産会社）である台湾ＴＳＭＣとＧａＮ製造技術の開発やＧａＮベースの半導体製品の供給などで協力すると発表した。本件の一環として、ＳＴマイクロのＧａＮ製品をＴＳＭＣのＧａＮ製造技術で生産する。ＳＴマイクロは、仏ツール工場で同国の公的研究所であるＣＥＡ−Ｌｅｔｉと共同でＧａＮの研究を進めてきたが、今回ＴＳＭＣと連携し、ＧａＮへの取り組みを強化。主要顧客にＧａＮベースのパワー半導体製品の初回サンプルを20年後半から提供することを決めた。

　さらに、ＳＴマイクロは３月、仏ＧａＮパワー半導体メーカーであるＥｘａｇａｎを買収することも決定した。Ｅｘａｇａｎは８インチウエハーで製造できる技術を持つという。買収にあたり、ＳＴマイクロは「サーバーや通信・産業機器向けの力率補正回路やＤＣ−ＤＣコンバーター、電気自動車用のオンボード・チャージャー、車載用ＤＣ−ＤＣコンバーターなど幅広いアプリケーションに対応する」と、ＧａＮパワー半導体の事業化にかける意気込みを語っている。

　日本の半導体メーカーはＧａＮに関して長い研究開発の歴史を持つものの、製品展開や事業化では現状、海外勢に大きく遅れているといわざるを得ない。高耐圧のＳｉＣパワー半導体では三菱電機や富士電機、デンソー、ローム、東芝らが海外勢に比肩する技術力と製品力を持つだけに、ＧａＮパワー半導体でも世界的に大きな存在感を示せる企業が出てくることを期待したい。

　なかでも注目株はロームだろう。ロームは18年６月、GaN SystemsとＧａＮパワーデバイスの協業を開始した。両社が持つパッケージング（封止）技術を用いて最適な製品を共同開発し、ＧａＮパワー半導体の可能性を最大限に引き出すことを目指す。また、両社が互換性のある製品を提供し、顧客にＧａＮパワー半導体を安定供給できるようにする。ＧａＮパワー半導体の研究開発活動も共同で進め、産業機器、自動車、家電分野向けに画期的な製品を提案していく方針だ。ロームはＳｉＣパワー半導体で世界３位の売り上げを誇るが、今後はＧａＮパワー半導体での飛躍も期待される。

（津村明宏・電子デバイス産業新聞編集長）