GaNデバイス開発はあらたなステージへ！

2023年12月。東京都内で行われた「"超"モノづくり部品大賞」の贈賞式が行われました。

この賞はモノづくり日本会議と日刊工業新聞社が主催。日本のモノづくりの競争力向上や産業・社会の発展に貢献する部品・部材を対象とし、2023年で20回目の実施となります。
6部門にわたる部品賞のひとつ「電気・電子部品賞」を受賞したのが、ロームの機器の省エネ、小型化に大きく貢献するGaNデバイス「EcoGaN」です。

近年、世界的に注目が高まっているGaNデバイス開発に、早くから取り組んできたローム。その技術力・商品開発戦略が高い評価を得たことは、まだまだ事業としては立ち上がったばかりである＜パワーステージ商品開発部＞メンバーにとっては嬉しいニュースであったと同時に、長い年月にわたって続けてきた研究開発が、ようやく次のステージに突入したことを告げる号砲でもありました。

お客さまの声に動かされて

今回の受賞は、GaNデバイス単体にとどまらず＜GaNの性能を最大限に引き出すゲートドライバICなどを含めた製品群全体＞が高く評価されたとのこと。
基礎研究の時代から足掛け15年以上にわたってGaN開発に関わってきた大嶽さんによると「これは、次世代半導体デバイスとしてのGaNの立ち位置を物語っている」と言います。

驚いたことに、GaN採用に踏み切れていないお客さまに耳を傾けると、その多くは制御側のドライブやパッケージタイプを含めた使いやすさ、さらにはドライバICもあわせたモジュール化への期待にありました。

ロームならではのアプローチ

半世紀以上に渡って、その時代に呼応したアナログICをつくり続けてきたという実績と自負が、エンジニア魂に火を灯したとも言えるのではないでしょうか。特に電源ICはロームが最も得意とする分野であり、これまで培ってきた幅広い開発知見とノウハウ、さらには量産における品質までをしっかり担保できる人材・設備がありました。

一方、GaNデバイスについても大きなアドバンテージが存在していました。それは早くからローム浜松でGaNを用いて量産してきた青色LEDの生産ノウハウです。
GaNの結晶をいかに高品質に・安定して生産（量産）出来るかが鍵となる開発過程において、LED製造ラインのすぐ隣に開発拠点を構えることが出来たことが、何にも代えがたい大きな推進力となったと言います。

パワーデバイスとICの両輪から事業化を目指す新しいプロジェクトを立ち上げ、それぞれの技術とノウハウを持つ技術者が集結。2020年代の節目を跨ぎながら本格的な開発が加速していきました。

持続可能な社会の実現を目指して

ここであらためて、GaNデバイスへの期待値をその特性ととも整理しておきましょう。
下の図は電力/周波数を軸にアプリケーションをマッピングした分布図になりますが、それぞれのパワーデバイスで優位性を持つ領域が存在することが分かります。ハイパワー領域でのスイッチングで近年ますます期待が高まるSiCパワーデバイスとは異なり、GaNはMHz帯の高周波動作が求められるアプリケーションで強みを発揮します。

そのひとつはMHzを超えるような高周波領域でのスイッチング効率の向上。もうひとつはセットの小型化に大きく貢献できることが最大の特長です。

現在もっともニーズが見込まれているのは、急速充電器を始めとするコンシューマー向け電源、およびデータセンターなどの通信分野です。その中でも通信分野での電力消費量は現在すでに世界の消費電力の3-5%に相当すると言われており、今後ますます暮らしに浸透していくAI搭載機器を経由したディープラーニング用のサーバーの増加や、本格的な自動運転時代の到来を考えると、その通信量は100倍にも1000倍にも増えると言われています。

社会インフラにおける省電力から各種ACアダプタの小型・軽量化、さらにはドローンの飛行距離伸長まで。敢えてアプリケーションを限定せずに、あらゆる分野のお客さまを対象にGaNの価値を提供していきたいとのこと。そのためには何よりも＜お客さまが使いやすいGaN＞を突き詰めていくことが非常に重要なキーワードになると言います。

では逆に、GaNにおける＜扱いにくさ＞とはどういったものなのかを、デバイス開発の観点から担当エンジニアである郡司氏に聞いてみました。

ゲート耐圧の壁に挑む

その対策として、途中の回路にゲート抵抗を入れてオーバーシュートを回避させるといった事例も見受けられましたが、副作用としてスイッチング速度が鈍ってしまい、シリコンデバイスとの差がなくなってしまうといった試行錯誤が繰り返されていました。

ゲートドライブICを同梱させたモジュールにすることで、オーバーシュートを内部で制御するという手法も選択肢として存在し、ロームでも同時に開発を進めていましたが、その一方でディスクリートデバイスの形での需要にも応えていかなければなりません。

どれだけ強いゲートを作り込めるか・・・！その一点の課題に真っ向から挑み、かつ乗り越えるためには、半導体の構造自体はもとより、製造装置までを大幅に見直す改革が必要でした。

およそ2年間に渡る試行錯誤の末にたどり着いた＜強い GaN＞の性能を示すのが既存製品と比較した下のグラフになります。
5V駆動の基準では、従来のGaNでは電圧マージンが1V程度しか確保することが出来ず、オーバーシュート時に破損を引き起こす原因となっていました。対してロームが新たに開発したゲート駆動電圧技術では、8Vまでの電圧に耐え得る数値を達成。これまでの3倍の電圧マージンを持たせることで、高い信頼性を実現しています。

GaN専用ゲートドライバ

＜お客さまが使いやすいGaN＞に向けたデバイス自体の進化の一方で、GaNを駆動させるゲートドライバICでも技術的なブレークスルーを生み出しています。ロームが導き出したアナログIC領域でのあたらしい答えのひとつは＜GaN専用のゲートドライバIC＞の開発です。

そう語ってくれたのは、IC設計エンジニアとして＜パワーステージ商品開発部＞に参入した篠崎氏。これまで電源IC開発に携わってきた経験を注ぎ込める案件ということで、いまも高いモチベーションを持ちながら取り組んでいると言います。

この開発におけるキーワードは＜ナノ秒(ns)オーダーのスピード＞。
2つの特殊な回路を開発したことで、オーバーシュート発生の抑制を実現。これによって最小ゲート入力パルス幅＝1.25ナノ秒の超高速スイッチングを実現し、GaNの能力をアプリケーション内で最大限に引き出すことが可能になりました。

Nano Pulse Control～そしてシステムインパッケージへ！

また、制御回路側も高周波化に対応が必要になるわけですが、その礎になっているのがロームが持つ独自の電源時術である＜Nano Pulse Contorol＞です。2017年にロームのアナログテクノロジーの粋を集めてリリースされたNano電源技術のひとつであり、高耐圧化・高周波化するアプリケーション群に対応した電源ソリューションをご提案してきました。

前出の篠原氏と同様に＜パワーステージ商品開発部＞に招集された安藤氏は、この＜Nano Pulse Control＞技術が持つポテンシャルを、GaNと組み合わせることで更に引き出す商品開発を目指しているとのこと。

すでに＜Nano Pulse Control＞を採用したコントローラICとしては、製品化レベルまで達しているという安藤氏。その先に見据えたオール・イン・ワンパッケージ商品に向けて、フルスロットルで開発を進めているといいます。

海外大手半導体メーカーも次々と参入を表明し、ますます活性化が予想されるGaNデバイス市場。
その中で、デバイス/ICの両輪からGaNの価値を最大化していくメーカーとして存在感を発揮していくことこそが、ロームに期せられた未来であることは間違いありません。

シリコン、SiCに次ぐ第3の矢としてのGaNの成長ストーリーは、今ようやく、あらたなステージに立ったところです。