窒化ガリウム（GaN）と呼ばれる特殊な材料は、パワーエレクトロニクス向けの次世代半導体となる見込みであり、シリコンよりもはるかに高い効率を実現できる。
2013年、エネルギー省（DOE）は、世界的なエネルギー消費を削減できる可能性を理由に、1億4,000万ドル規模のパワーエレクトロニクス研究所の約半分をGaN研究に充てると発表した。現在、MITからのスピンアウト企業であるCambridge Electronics Inc.（CEI）は、2025年までに、データセンター、電気自動車、民生機器におけるエネルギー使用量を世界全体で10～20%削減することを約束するGaNトランジスタおよびパワーエレクトロニクス回路の製品ラインを発表した。
パワーエレクトロニクスは、電力をより高いまたは低い電圧や異なる電流に変換するために用いられる、至る所で使われている技術である。例えば、ノートパソコンの電源アダプターや、電圧を変換して電力を消費者に供給する電力変電所などで使われている。こうしたパワーエレクトロニクスシステムの多くは、電圧を調整するためにオンとオフを切り替えるシリコントランジスタに依存しているが、速度と抵抗の制約により、エネルギーを熱として無駄にしている。
同社によると、CEIのGaNトランジスタは、こうしたシリコン系トランジスタの少なくとも10分の1の抵抗値を持つ。これにより、エネルギー効率が大幅に向上し、スイッチング周波数は桁違いに高速化する。その結果、こうした部品を用いたパワーエレクトロニクスシステムを大幅に小型化できる。CEIは自社のトランジスタを活用し、データセンターのエネルギー消費を抑え、電気自動車をより安価かつ高性能にし、ノートパソコンの電源アダプターのサイズを3分の1にする、あるいはコンピューター本体に収まるほど小型化するパワーエレクトロニクスの実現を目指している。
「これは、電子機器を変え、世界におけるエネルギーの使われ方に本当に影響を与えるための、一生に一度の機会です」と、CEIの共同創業者であり、この技術を共同発明したMITの電気工学・コンピュータ科学学科准教授Tomás Palaciosは語る。
その他の共同創業者・共同発明者は、電気工学のJoseph F. and Nancy P. Keithley Professor in Electrical Engineeringであり、現在CEIの技術諮問委員会の委員長を務めるAnantha Chandrakasan氏、卒業生でCEIのデバイス開発担当副社長であるBin Lu氏（SM ’07、PhD ’13）、CEIのオペレーションディレクターであるLing Xia氏（PhD’12）、CEIのエピタキシーディレクターであるMohamed Azize氏、そしてCEIの製品信頼性ディレクターであるOmair Saadat氏（PhD ’14）である。
GaNを実用化可能にする
GaNトランジスタはシリコンに比べていくつかの利点があるものの、安全性上の欠点と高価な製造方法により、市場への投入は大きく妨げられてきた。しかし、Palacios氏、Lu氏、Saadat氏らMITの他の研究者は、2000年代後半に行われた設計上の革新を通じて、これらの課題を克服することに成功した。
パワートランジスタは、オンのときに大電流を流し、オフのときに高電圧を遮断するよう設計されている。回路が断線または故障した場合、短絡などの問題を避けるため、トランジスタは電流を遮断する「オフ」の状態を初期設定としなければならない。これはシリコンパワートランジスタにおける重要な特性である。
しかし、GaNトランジスタは一般的に「ノーマリーオン」である。すなわち、初期状態では常に電流が流れる状態にあり、これは従来から修正が難しい問題であった。MITのマイクロシステム技術研究所の設備を用いて、研究者らは国防総省およびDOEの助成金の支援を受けながら、材料の構造を変更することで「ノーマリーオフ」のGaNトランジスタを開発した。
従来のGaNトランジスタを製造するには、科学者が基板の上に薄いGaN層を成長させる。一方、MITの研究者らは、GaNトランジスタにおいて組成の異なる複数の材料を積層した。その正確な組み合わせを見出したことで、初期状態でオフになる新しいタイプのGaNトランジスタが可能になった。
「私たちはGaNを常にガリウムと窒素として語りますが、基本となるGaN材料を改変し、不純物やその他の元素を加えることで、その特性を変えることができるのです」とPalacios氏は語る。
しかし、GaNやその他の非シリコン半導体は、特殊なプロセスで製造されており、コストが高い。コストを下げるため、MITの研究者らは、大学内で、そして後に同社と共同で、新たな製造技術、すなわちLu氏の言う「プロセスレシピ」を開発した。これには、とりわけ、GaNデバイスの製造に使われていた金をシリコン製造に適合する金属に置き換えることや、シリコン・ファウンドリで使われる大型ウェハー上にGaNを成膜する方法の開発が含まれていた。
「基本的に、私たちは先進的なGaNトランジスタと回路を、シリコンと同じコストで、従来のシリコン・ファウンドリにおいて製造しています。コストは同じですが、新しいデバイスの性能は100倍優れています」とLu氏は語る。
主要な応用分野
CEIは現在、その先進的なトランジスタを用いて、体積が約1.5立方インチのノートパソコン用電源アダプターを開発している。これは史上最小のものとなる。
Palacios氏によれば、このトランジスタの他の実現可能な用途としては、Google、Amazon、Facebookなどの企業が運営するデータセンター向けに、より優れたパワーエレクトロニクスを提供し、クラウドを支えることが挙げられる。
現在、これらのデータセンターは米国の電力の約2%を消費している。しかし、Palacios氏によれば、GaNベースのパワーエレクトロニクスは、その中のかなりの割合を節約できる可能性がある。
Palacios氏はさらに、今後の主要な応用のもう一つとして、電気自動車におけるシリコン系パワーエレクトロニクスの置き換えを挙げる。これらは、バッテリーを充電する充電器や、バッテリーの電力を変換して電動モーターを駆動するインバーターに含まれている。現在使われているシリコントランジスタは電力処理能力が制約されており、車両が扱える電力量が限られる。これが、大型の電気自動車が少ない主な理由の一つである。
一方、GaNベースのパワーエレクトロニクスは、電気自動車の出力を高めると同時に、エネルギー効率を向上させ軽量化することができ、その結果、より安価になり、より長距離の走行が可能になる。「電気自動車は人気があるものの、依然としてニッチな製品です。GaNパワーエレクトロニクスは、それらを主流にするための鍵となるでしょう」とPalacios氏は語る。
革新的なアイデア
CEIを立ち上げるにあたり、MITの創業者たちはMITの起業家プログラムを活用し、それがスタートアップの進展に貢献した。「MITのイノベーションと起業のエコシステムは、物事を動かし、現在の段階に至るための鍵となってきました」とPalacios氏は語る。
Palacios氏はまず、CEIを立ち上げるためにDeshpande Center for Technological Innovationから助成金を得た。その後、GaNベースのパワーエレクトロニクスのアイデアをInnovation Teams（i-Teams）に持ち込んだ。i-Teamsは、新技術の商業的実現可能性を評価するために、分野横断的にMIT学生を集めるプログラムである。Palacios氏によれば、このプログラムを通じて、GaNパワーエレクトロニクスに対する市場の大きな需要を実感し、CEIが最初の製品を決定する助けになったという。
「多くの場合は逆です。素晴らしい技術を生み出しても、その応用先を探すことになります。今回は、i-Teamsのおかげで、この技術を求めている応用先が多数あることがわかりました」とPalacios氏は語る。
Luにとって、CEIの成長を支えた重要な要素は、ワークショップ「 Start6」を聴講したことだった。このワークショップは、電気工学・コンピュータ科学学科が主催するもので、起業志向の工学系学生が、グループディスカッションや経験豊富な起業家の講演を通じて、スタートアップの過程を学ぶ場である。Luは特に、株式の配分、資金調達、チーム作り、その他の初期段階のスタートアップ上の課題について、視野を広げた。
「アイデアはあるけれど、ビジネスの実情が正確にはわからない学生にとって、素晴らしい授業です」とLu氏は語る。「これは、そのプロセスがどのようなものになるかの概観のようなもので、自分で会社を興すときに準備が整っている、ということです」
本記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Rob Matheson（MIT Newsの執筆者）。
画像：DIY店に展示された、炭素フィラメントを用いた伝統的な電球。REUTERS/Ina Fassbender。
