GaNおよびSiC半導体の成長見通し

半導体業界は、窒化ガリウム（GaN）と炭化ケイ素（SiC）で大いに盛り上がっています。GaNとSiCが、長年のシリコンの独占を覆す準備ができているとのことです。電気自動車、再生可能エネルギー、消費者向け電子機器を含む主要産業に既に影響を与えている、効率と性能の大幅な向上について話しているので、注目されています。

これがなぜ大きな話題なのか？よりコンパクトで、強力で、エネルギー効率の高いデバイスに向かって競争が激化する中、古いシリコンの働き手ではもはや役不足です。GaNとSiCは？それらは、電力システムを超充電し、効率を向上させ、10年前には夢にも思わなかった革新を解き放つ可能性を持つ新しい才能です。これらを反映して、GaNとSiCの市場は急速に成長しています。

市場規模と成長予測

数字を見てみましょう。Fact.MRによると、GaNおよびSiC半導体市場は、2024年の推定$1.4 billionから2034年には$11 billionに拡大すると予測されており、複合年間成長率（CAGR）は 22.9%になるとされています。Future Market Insights（FMI）はさらに楽観的な見通しを提供しており、2024年から2034年にかけてのCAGRが 27.1%で成長し、市場規模が$23.7 billionに達すると推定しています（図1参照）。

ワイドバンドギャップ材料とは何か？

ワイドバンドギャップ（WBG）材料（主にGaNおよびSiC）は、半導体技術の最前線にあります。これらの材料は、さまざまなディスクリートコンポーネント、パワーモジュール、および集積回路を作成するために使用されます。"ワイドバンドギャップ"という用語は、これらの材料の価電子帯と伝導帯の間の大きなエネルギーギャップを指し、通常はシリコンの1.1 eVよりも高い3 eV以上です。

ワイドバンドギャップ材料の利点

WBG材料の大きな利点の一つは、ブレークダウンが発生する前にはるかに強い電場に耐える能力です。GaNとSiCは、シリコンよりも約10倍高いブレークダウン電場を誇ります。この特性と広いバンドギャップを組み合わせることで、これらの材料から作られたデバイスは、従来のシリコンベースの半導体よりも高い電圧、温度、周波数で動作することができます。

高温度での動作: WBGデバイスは、シリコンの限界である約150°Cに比べて、最大200°Cの温度で動作できます。

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高電圧動作: 高いブレークダウン電場により、WBGデバイスはより小型のデバイスではるかに高い電圧を扱うことができます。

高速スイッチング速度: WBG材料は、高い電子移動度と飽和速度により、シリコンに比べて最大10倍のスイッチング周波数を実現します。

効率の向上: WBGデバイスは、オン抵抗とスイッチング損失が低く、電力変換アプリケーションでの効率が高くなります。

小型デバイス: WBG材料の優れた特性により、よりコンパクトで軽量な設計が可能になります。

GaNとSiCの成長をリードするアプリケーション

GaNおよびSiC半導体の採用は、その優れた性能特性によって、業界全体で急速に拡大しています。これらの広帯域ギャップ材料は、いくつかの主要なセクターで応用が見られ、それぞれがGaNおよびSiCを使用して革新と効率を推進しています。いくつかの例を見てみましょう：

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電気自動車： GaNおよびSiCは、より高い電圧と温度で動作するため、多くの自動車アプリケーションの改善に適しており、電気モビリティへの移行を支援します。例えば、GaNおよびSiCは、EVパワートレインの効率を向上させ、これはEVにとって重要な差別化要因である、より長い走行範囲とより速い充電時間を可能にします。 

消費者向け電子機器： GaNおよびSiC材料は、性能を犠牲にすることなく、より小さく軽いコンポーネントを可能にします。これにより、次世代の消費者向けデバイスの開発において価値があり、小型化への継続的な推進に対応します。

無線通信： 5Gネットワークと進化する無線技術は、GaNおよびSiCにとって大きな機会を生み出しています。GaNは特に5G基地局で価値があり、両方の材料は衛星やレーダーシステムにも使用されています。 

再生可能エネルギー： GaNおよびSiCは、再生可能電力変換および管理システムの効率とコスト効果を向上させる能力のため、持続可能なエネルギーシステムでの地位を確立しています。

GaNおよびSiC技術の進歩

GaNおよびSiC半導体市場は、業界の巨人と革新的なスタートアップが研究開発への大規模な投資で支配を競い合う中、激しい競争に直面しています。 

エピタキシャル成長技術や先進的なパッケージング技術など、製造プロセスの継続的な改善により、性能が向上し、歩留まりが改善されています。GaNおよびSiCの製造がより効率的かつコスト効果的になるにつれて、これらの技術への障壁が下がり、業界全体での使用が広がっています。 

GaNおよびSiCの課題と制限

長期的には前向きな見通しであるにもかかわらず、GaNおよびSiC市場はいくつかの課題に直面しています。これには以下が含まれます： 

高い製造コスト：GaNおよびSiCデバイスの製造プロセスには、特殊な装置、複雑なエピタキシャル成長技術、厳格な品質管理措置が必要です。現在、これは高い生産費用を意味しています。これらの高コストは製造のスケーラビリティを制限し、比較的高価な最終製品をもたらす可能性があり、一部のGaNおよびSiCソリューションを従来のシリコンベースの代替品よりも競争力が低くしています。

この魅力的な市場を巡る競争は、従来のシリコンベースの半導体とのコストパリティを達成するための競争を加速させています。例えば、インフィニオンは最近、GaN技術における突破口を発表し、GaNデバイスの価格を大幅に削減し、市場の大きなシェアを獲得することを可能にするかもしれません。発表で、インフィニオンのCEOであるヨッヘン・ハネベックは、「今後数年でGaNチップの市場価格がシリコンの価格に近づくと予想しています。」と述べています。

高品質な基板の限定的な利用可能性：GaNおよびSiCは、エピタキシャル成長のために特殊な基板を必要とし、これらの基板の供給は、生産能力や材料の品質などの要因によって制約されることがあります。基板の利用可能性が限られていると、供給チェーンの混乱、生産コストの増加、製品開発の遅延につながることがあります。

基板の競争：異なる産業間での基板の競争が状況を悪化させ、時にはGaNおよびSiCデバイス製造のスケーラビリティを妨げ、さまざまなアプリケーションでのより広範な採用を阻害しています。

最近のマッキンゼーの記事では、シリコンカーバイドウェーハ市場の不確実性を管理する方法について深く掘り下げており、マッキンゼーは、予測される需要の成長を満たすために、改善された計画、多様化、および投資を通じて、これらの課題を積極的に管理する必要があると述べています。

GaNとSiCの可能性を実現する

GaNとSiC半導体の未来は有望です。EV、再生可能エネルギーシステム、次世代の消費者向け電子機器が可能性の限界を押し広げる中、ワイドバンドギャップ材料が中心的な役割を果たす準備が整っています。 

製造業者が生産方法の改善を進めるにつれ、コストは下がり、業界全体での採用が加速しています。業界の課題は？潜在的に急増する需要に追いつき、高い製造コストや限られた基板の可用性といった障壁を克服することです。

従来のシリコンとのギャップを埋めるレースが加熱しており、Infineonのような業界の巨人が重要な進歩を遂げているのを目の当たりにしています。研究者、製造業者、エンドユーザー間の協力が成長し、勢いを増すにつれて、これらの技術の完全な可能性がより近づいてきています。