ムーアの法則を超えて、第三世代半導体材料技術はピークを迎える  
     
21世紀に入って以来、人工知能、5G、自動運転といった新たなアプリケーションの台頭により、チップ性能に対する要求はますます高まっている。同時に、半導体製造プロセスや新素材における継続的なイノベーションも促進されてきた。ムーアの法則を超える可能性を秘めた第三世代半導体材料技術として、これらの技術はまさに飛躍的な発展を遂げようとしている。

第三世代半導体材料は、ワイドバンドギャップ半導体とも呼ばれ、バンドギャップ幅が大きい（Eg≥2.3 eV）半導体材料です。主流の炭化ケイ素（SiC）と窒化ガリウム（GaN）に加え、非主流の酸化亜鉛（ZnO）、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（AlN）などが、第三世代半導体技術の代表的な材料です。第一世代および第二世代半導体材料と比較して、第三世代半導体は、より広いエネルギーギャップに加え、優れた絶縁破壊電界強度、熱伝導率、電子飽和率、耐放射線性を備えています。そのため、高温、高周​​波、耐放射線、高出力デバイスの製造に有利であり、よりエネルギー効率の高いエネルギー変換システムに対する喫緊のニーズを満たすことができます。 Omdiaの「2020年SiCおよびGaNパワー半導体レポート」によると、SiCおよびGaNパワー半導体の世界売上高は、2020年末までに8億5400万米ドルに達すると予測されている。今後10年間は​​二桁の年間成長率を達成し、2029年までに50億米ドルを超える見込みだ。

電気自動車、5G、ビッグデータなど、多くの新しい用途が半導体材料の開発機会をもたらしています。電力消費量の多いデータセンター、各種充電器、内燃機関に取って代わろうとしている電気自動車のトラクションモーターインバーターなどの用途では、エネルギー効率の向上により、石油や石炭といった従来のエネルギー消費による二酸化炭素排出量を削減できます。また、新素材は再生可能エネルギーの大規模利用も促進します。例えば、ワイドバンドギャップパワー半導体は、太陽光発電や風力発電の効率向上に貢献します。

 

一方、5Gを基盤としたモノのインターネット（IoT）の展開と応用により、あらゆるものがインターネットに接続される「インターネット・オブ・エブリシング」が大規模に普及し、数十億ものユーザー、機械、デバイスが大量のデータ、高解像度画像、高精細ビデオストリームをリアルタイムで共有できるようになります。遠隔手術、自動運転車、ドローン配送など、多くの高度なアプリケーションが構想段階から現実のものとなるでしょう。これらの発展は、人工知能（AI）や機械学習の恩恵を受けるだけでなく、より高い処理性能、より高い帯域幅、そして短い遅延を実現する新素材とも密接に関わっています。

STはイノベーションをリードし、第3世代半導体技術の応用を積極的に展開しています。  
     
1990年代初頭、STマイクロエレクトロニクスは2インチウェハを起点としてSiC MOSFETトランジスタとダイオードの開発・発売を開始しました。長年にわたる投資を経て、STマイクロエレクトロニクスは関連するコア製造プロセスに関する重要な特許を取得しました。エピタキシャル層、エッジ終端設計、ゲート酸化膜など、STマイクロエレクトロニクスの高電圧トランジスタおよびダイオード製造における専門知識は、SiCの開発を成功させる上で重要な役割を果たしました。STはこの勢いを活かし、成長著しい電気自動車（EV）業界における主要なSiCサプライヤーとなった。STのSiC製品は、主に電気自動車の車載充電、メインインバータ、DC-DCコンバータ、産業用ドライブ、太陽光発電などの用途で使用されています。同時に、STは5G基地局や通信タワー、パワースイッチ、民生用電子機器、産業用充電器や電源アダプタなどの用途向けにGaNデバイスの開発にも引き続き取り組んでいます。現在、GaNオンシリコンRF製品の設計を進めており、これによりSTは製品ポートフォリオを最大限に活用できるようになります。  
SiC MOSFETに関しては、STは安定したサプライチェーンを構築しています。スウェーデンのNorstel ABの買収に成功し、完全な垂直サプライチェーン統合を完了し、CreeおよびSiCrystalと長期ウェハ供給契約を締結し、自社の生産能力も拡大し続けています。現在、STはSiCの成功を基盤に事業を拡大している。GaN分野に進むガリウムナイトライド革新企業であるExaganの株式の過半数を取得し、TSMCの業界をリードするGaN製造プロセスを採用し、Letiと協力してシリコンベースのガリウムナイトライド電力変換技術を開発し、MACOMと協力してシリコンベースのGaN生産能力を増強するなど、産業チェーンの上流および下流との一連の協力を積極的に実施しています。          ST masterGaN®プラットフォームの発売：より小型、軽量、高速なGaN充電の時代を切り開く  
     
電源の小型化というトレンドは何十年にもわたって続いており、今後も新たな市場用途の開拓が期待されています。さらに、電力密度を高めることはエネルギー効率向上の鍵であり、設計者が非常に重視する要素でもあります。しかしながら、より小型で効率的な電源ソリューションを実現するには、依然として大きな技術的制約が存在します。  
新たなイノベーションの波として、GaN高電子移動度トランジスタ技術は電力工学の世界に革命をもたらしています。GaNパワーFETトランジスタは、従来のシリコンベースの電力ソリューションの性能限界を突破し、シリコンベースのMOSFETでは実現できなかった高速性、高効率性、高電力密度を実現し、新たなアプリケーション市場を切り拓いています。数十年にわたり電力変換市場のリーダーでありパイオニアであるSTは、比類のない技術経験とシステム専門知識を活かし、この新たなイノベーションの波に乗り、より幅広い市場アプリケーションに対応する新製品とソリューションを継続的に投入しています。  
STマイクロエレクトロニクスは先日、シリコンベースのハーフブリッジドライバチップと一対のGaNトランジスタを統合した世界初の製品プラットフォーム「masterGaN®」を発表しました。この統合ソリューションは、民生用電子機器や産業用途向けの400W以下の軽量・省エネ型次世代充電器および電源アダプタの開発を加速させるのに役立ちます。  
   
GaN技術により、電子機器は処理が可能になるもっと力をデバイス自体はSmaller, lighter and more energy efficientこれらの改良により、スマートフォン向けの超高速充電器やワイヤレス充電器、PCやゲーム機向けのUSB-PDコンパクトアダプター、さらには太陽光発電蓄電システム、無停電電源装置、ハイエンドOLEDテレビやクラウドサーバーといった産業用途にも大きな変革がもたらされるでしょう。   
今日のGaN市場では、個別のパワートランジスタやドライバICがよく使われており、設計者はそれらを連携させて最適な性能を実現する方法を習得する必要があります。STマイクロエレクトロニクスのmasterGaNソリューションは、この課題を回避し、市場投入までの時間を短縮し、期待通りの性能を実現すると同時に、パッケージを小型化・簡素化し、回路部品点数を削減し、システムの信頼性を向上させます。GaN技術とSTマイクロエレクトロニクスの統合製品の利点を活用することで、この新製品を使用した充電器やアダプタは、従来のシリコンベースのソリューションよりも効率的です。サイズを80%、重量を70%削減し、充電速度を2倍に向上。。  
   
      masterGaN製品プラットフォームの独自の利点  
     
STマイクロエレクトロニクスのアナログ製品部門担当エグゼクティブバイスプレジデント兼ゼネラルマネージャーであるマッテオ・ロ・プレスティ氏は、「ST独自のmasterGaN製品プラットフォームは、市場で実績のある当社の専門知識と設計能力に基づいており、高電圧スマートパワーBCDプロセスとGaN技術を統合することで、省スペース、省エネルギー、環境に優しい製品の開発を加速させることができます」と述べています。
 

masterGaN1は、STマイクロエレクトロニクスのmasterGaNプラットフォーム初の製品であり、2つのハーフブリッジ構成GaNパワートランジスタとハイサイドおよびローサイドドライバチップを統合しています。masterGaN1は、厚さわずか1mmの9mm×9mm GQFNパッケージに収められており、現在量産中です。さらに、STマイクロエレクトロニクスは、顧客がパワー製品プロジェクトを迅速に開始できるよう、製品評価ボードも提供しています。

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