窒化ガリウムと炭化ケイ素がグリーンテクノロジーの覇権を争う

Aug 10, 2023

どちらが勝っても、温室効果ガスを数十億トン削減することになる

窒化ガリウム半導体ウェーハは著者のウメシュ・ミシュラをよく反映しています。

先進的な半導体もできる気候変動を阻止する闘いに変化をもたらすほどの温室効果ガスの排出量を削減できるだろうか？ 答えは大きくイエスです。 このような変化は実際に順調に進んでいます。

2001 年頃から、化合物半導体窒化ガリウムが照明の革命を促進しました。これは、ある見方によれば、人類史上最速の技術変化でした。 国際エネルギー機関の調査によると、わずか 20 年の間に、世界の照明市場で窒化ガリウムベースの発光ダイオードが占めるシェアはゼロから 50 パーセント以上になりました。 調査会社モルドール・インテリジェンスは最近、世界中で LED 照明によって今後 7 年間で照明に使用される電力が 30 ～ 40 パーセント削減されると予測しました。 国連環境計画によると、世界では照明が電力使用量の約 20%、二酸化炭素排出量の 6% を占めています。

各ウェーハには数百もの最先端のパワートランジスタが含まれていますピーター・アダムス

この革命はまだ終わっていません。 まさに、より高いレベルへ飛躍しようとしているのです。 照明業界に変革をもたらした半導体技術である窒化ガリウム (GaN) も、現在勢いを増しているパワー エレクトロニクスの革命の一部です。 これは、パワー エレクトロニクスの巨大かつ重要なカテゴリーにおいてシリコン ベースのエレクトロニクスに取って代わられ始めた 2 つの半導体のうちの 1 つであり、もう 1 つは炭化ケイ素 (SiC) です。

GaN および SiC デバイスは、置き換えられるシリコン コンポーネントよりも優れたパフォーマンスと効率性を備えています。 これらのデバイスは世界中に数え切れないほど数十億台あり、その多くは毎日何時間も動作するため、エネルギーの節約は大幅になります。 GaN および SiC パワー エレクトロニクスの台頭は、白熱灯やその他の従来の照明を GaN LED に置き換えるよりも、最終的には地球の気候に大きなプラスの影響を与えるでしょう。

交流を直流に、またはその逆に変換する必要があるほぼすべての場所で、無駄なワットが少なくなります。 この変換は、携帯電話やラップトップの壁の充電器、電気自動車に電力を供給するはるかに大きな充電器やインバータなどで発生します。 そして、他のシリコンの牙城が新しい半導体に落ちても、同様の節約が生まれるだろう。 無線基地局アンプは、これらの新興半導体が明らかに優れている成長アプリケーションの 1 つです。 気候変動を緩和する取り組みにおいて、電力消費の無駄をなくすことは簡単に実現できる成果であり、これらの半導体はそれを収穫する手段となります。

これは、テクノロジーの歴史におけるよく知られたパターン、つまり 2 つの競合するイノベーションが同時に実現するという新たな例です。 どうやってすべてが解決するのでしょうか？ どのアプリケーションでSiCが主流になり、どのアプリケーションでGaNが主流になるでしょうか? これら 2 つの半導体の相対的な強みを詳しく調べると、確かな手がかりが得られます。

半導体自体について説明する前に、まずなぜ半導体が必要なのかを考えてみましょう。 まず、電力変換はあらゆるところで行われています。 そして、それはスマートフォン、タブレット、ラップトップ、その他数え切れ​​ないほどのガジェットを支える小さな壁の充電器をはるかに超えています。

電力変換は、電気を利用可能な形式から製品がその機能を実行するために必要な形式に変換するプロセスです。 その変換では常に一部のエネルギーが失われますが、これらの製品の一部は継続的に稼働するため、エネルギーの節約は膨大になる可能性があります。 考えてみましょう: カリフォルニア州の経済生産が急増したにもかかわらず、カリフォルニア州の電力消費量は 1980 年からほぼ横ばいでした。 需要が横ばいになった最も重要な理由の 1 つは、冷蔵庫とエアコンの効率がこの期間に大幅に向上したことです。 この改善における唯一最大の要因は、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) およびその他のパワー エレクトロニクスに基づく可変速ドライブの使用であり、これにより効率が大幅に向上しました。