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コラム 2025年09月12日

GaNパワー半導体とは？特徴・SiCとの棲み分け・普及に向けた最新動向

#EMS #半導体 #製造

スマートフォンや家電、そして電気自動車（EV）に至るまで、私たちの身の回りにある多くの電子機器に不可欠なのが「パワー半導体」です。この半導体は、交流（AC）から直流（DC）への変換や、電圧の制御など、電力の供給と制御を担う重要な役割を果たしています。

中でも、GaN（窒化ガリウム）は、従来のシリコン（Si）に代わる新たなパワー半導体の材料として注目されています。しかし、これまでパワー半導体の主材料としてSiが使われてきたため、「GaNの特長やSiとの違いがわからない」という方もいるのではないでしょうか。

そこで本コラムでは、化合物半導体であるGaNに関する基礎知識や用途、パワー半導体にGaNを利用するメリットや課題・欠点について解説します。

GaNパワー半導体の市場規模は、今後急速に成長すると見込まれています。海外や日本メーカーの動きも紹介しながら、GaNの最新動向とOKIの貢献について詳しくお伝えします。

GaNパワー半導体とは？

「GaN」はガリウム（Ga）と窒素（N）の化合物で、結晶構造を持つ化合物半導体です。GaNの読み方は、「ガン」「ガリウムナイトライド」「窒化ガリウム」です。

GaNパワー半導体は、SiC（炭化ケイ素｜シリコンカーバイド）と同様に、Siよりも優れた物性を持つ化合物半導体です。バンドギャップが広く、絶縁破壊電界強度が高いという特徴から、高耐圧・低損失を実現します。半導体の総合的な性能を示す「バリガ性能指数」では、Siを1とした場合、SiCが約500、GaNはさらに高い約930と、優れた性能を示しています。

次世代パワー半導体とは？急速充電・省エネを実現するSiC・GaNの可能性

GaNをパワー半導体に利用するメリットと課題

GaNパワー半導体には、その優れた物性から、主に3つの大きなメリットがあります。

1. 高速スイッチングによる電力変換機器の小型化・軽量化

GaNは、Siに比べて電子移動度が非常に高く、高周波での高速スイッチングが可能です。これにより、電力変換回路に必須のコイルやコンデンサなどの周辺部品を小型化・軽量化できるため、ACアダプターや電源機器の小型化に大きく貢献します。

2. 低損失化による省エネ効果

GaNはSiよりもオン抵抗が低く、高速スイッチング時の電力損失も極めて少ないため、電力変換効率を飛躍的に向上させることができます。これにより、機器の発熱量が減少し、冷却システムを簡素化できるほか、社会全体の消費電力削減にも繋がります。これは、2050年のカーボンニュートラル実現に向けた重要な技術となります。

3. 高温動作の安定性

GaNはSiよりも高い温度でも安定した動作が可能です。これにより、過酷な環境下での使用や、小型化による発熱増にも対応でき、製品の信頼性向上に貢献します。

一方、GaNには克服すべき課題も存在します。従来のSi半導体とは異なる製造プロセス、そして品質が安定した高純度のGaN基板の製造が難しい点が挙げられます。特に、GaNデバイスは特性上、長期的な信頼性を短時間で評価することが非常に難しく、製品開発における大きなボトルネックとなっていました。

GaNとSiCの違い、それぞれの強みと棲み分け

次世代パワー半導体にはGaNとSiCがありますが、両者は競合するだけでなく、それぞれの特性を活かした棲み分けが進んでいます。

SiC（炭化ケイ素）：GaNよりも耐圧が高いため、高耐圧・大電流の制御が必要な用途に適しています。主にEVのインバータや鉄道、産業機器など、数キロワット以上の電力を扱う分野での活用が進んでいます。
GaN（窒化ガリウム）： SiCよりも高速なスイッチングが可能であるため、高周波・中耐圧用途に強みを持ちます。データセンターのサーバー用電源や5G通信の基地局、ワイヤレス給電など、高効率・小型化が求められる分野での応用が期待されています。

両者は相互に補完し合いながら、幅広い電力変換用途でSiからの置き換えを加速させています。

GaNパワー半導体の世界市場

GaNパワー半導体の世界市場は、今後も急速な成長が予測されています。調査会社によるレポートでは、GaN市場は2023年の74億円規模から、2035年には2,674億円へと36.1倍に成長すると見込まれています。

出典：富士経済「パワー半導体の世界市場を調査」
https://www.fuji-keizai.co.jp/press/detail.html?cid=24020&la=ja

海外メーカーの動きでは、Infineon Technologies（独）が2023年にカナダのGaN Systemsを約8.3億ドルで買収し、GaN技術ポートフォリオを拡充しました。また、Innoscience（中）はGaNディスクリート市場で世界シェア42.4%を獲得し、2023年には累計出荷10億ユニットを突破するなど、成長が著しいと報告されています。Navitas Semiconductor（米）はGaNパワーIC分野の先進企業として注目されており、製品ポートフォリオの拡充を進めています。

一方、日本メーカーは、高品質基板や新しい製造プロセスに強みを持ち、量産技術の確立と信頼性向上で存在感を発揮しています。中でもOKIは、このGaNデバイスの普及を阻む最大の課題であった「製造」と「信頼性評価」の分野で、独自のソリューションを提供しています。

GaNパワー半導体の構造

GaNパワー半導体には横型・縦型の2つの構造があり、以下の図のように電流の流し方が異なります。これまでは低コストな横型が主流となっていました。

それぞれの概要を見てみましょう。

横型GaN（GaN-on-Si）：横型GaNの1つである「GaN-on-Si」は、Siの基板上にGaNの結晶を成長させたものです。このほかにも、横型GaNには「GaN-on-サファイア」「GaN-on-SiC」などがあります。

既存のSiを使用する横型は横方向に電流が流れ、縦型よりもコストを抑えてGaNの高周波特性を活用できます。Siよりも発熱が少ないためデバイスの小型化や軽量化につながるものの、650V以上の高耐圧には不向きです。そこで高耐圧が必要とされるデバイスには、縦型GaNが求められています。
縦型GaN（GaN-on-GaN）: 縦型GaNの1つである「GaN-on-GaN」は、GaN基板にGaNを積んだもので、絶縁層を持たず縦方向に電流が流れます。大電流や大電圧に対応できる点がメリットですが、GaN基板が小径でコスト面に課題が残ります。

大口径化を実現する技術が未熟で、商用化が難しく社会実装にはまだ至っていません。また、技術面でたとえ商用化が実現したとしても、比較的安価で利用できるSiC市場と競合する可能性があります。

GaNパワー半導体の普及に向けたOKIのソリューション

OKIは、GaNパワー半導体の普及を阻んでいた「製造」と「信頼性評価」の課題に対し、独自のソリューションを提供しています。

1. 新しいGaN基板製造技術

2023年9月、沖電気工業株式会社（OKI）と信越化学工業株式会社（信越化学）は、GaNの新しい製造方法を共同開発したと発表しました。

OKIのCFB技術と信越化学が独自改良したQST基板を用いて、GaN機能層を剥離し、異種材料基板へ接合する新技術です。この技術により、GaNの縦型導電が実現し、大電流を制御する縦型GaNパワーデバイスの製造と普及が可能になります。

OKIのCFB（クリスタル・フィルム・ボンディング）は、結晶膜を成長基板から隔離し、異種材料基板へ接合する技術です。信越化学がライセンスを取得したGaN成長専用の複合材料基板であるQST基板を用いて、短時間で高品質な厚膜GaN成長を実現します。

QST基盤はCFB技術と相性が良く、コスト競争力が高い点も魅力です。これまでは量産化が難しかった縦型GaNの社会実装を可能にします。

OKIプレスリリース：信越化学のQST基板上でGaNの剥離／接合技術を開発

2. 半導体製造ライン向け化学分析サービスを開始

OKIグループで信頼性評価と環境保全の技術サービスを展開するOKIエンジニアリングは、2025年7月4日に群馬県高崎市に化学分析拠点「高崎ラボ」を開設し、半導体製造ライン向け化学分析サービスの提供を開始しました。本サービスは、クリーンルーム内の空気や製造工程で使用される薬液の不純物の種類と量を分析するもので、定期的な分析や緊急時の分析に対応します。

「高崎ラボ」では、高度な化学分析技術を持つ専門技術者が、半導体製品の品質維持に不可欠なクリーンルーム内の空気中微量化学成分（イオン成分など）の濃度測定や、工程で使用する酸、アルカリ、有機溶剤などに混入した不純物の分析を実施します。さらに、対面での技術相談や試料の直接受け渡し、緊急対応など、地域密着型ならではのサービスを提供することで、北関東地域の半導体工場の安定した製造とコスト削減に貢献するとともに、より高度な品質管理をサポートします。

OKIプレスリリース：半導体製造ライン向け化学分析サービスを開始