窒化ガリウムパワーデバイスは、主に横型HEMTアーキテクチャを中心に開発されてきました。これらのデバイスは、高速充電器、サーバー電源、モーター駆動、その他の高周波電力変換アプリケーションでますます重要になっています。

しかし、2026年には、垂直型GaNへの関心が高まっています。

主な違いは電流の流れの方向です。

従来の横型GaN HEMTでは、電流は主にエピタキシャル構造の表面に沿って流れます。垂直型デバイスでは、電流は半導体の厚みを流れます。

この変更により、横型チップ面積を継続的に増加させることなく、GaNをより高い電圧およびより高い電流レベルに移行させることができる可能性があります。

課題は基板です。

垂直型GaNが従来、ネイティブGaNを必要とした理由

垂直型パワーデバイスでは、電流がエピタキシャル構造を通過して裏面コンタクトに流れる必要があります。

バルクGaN基板はこのアーキテクチャに適しています。なぜなら、基板とエピタキシャル層は実質的に同じ結晶系を共有しているからです。

これにより、以下を提供できます。

• 転位密度が低い。

• エピタキシャル適合性の向上。

• 直接的な垂直伝導パス。

• 格子不整合応力の低減。

• 厚い高電圧ドリフト層のより良いサポート。

しかし、ネイティブGaN基板は、主流のシリコンウェーハよりもかなり小さく、高価なままです。

これは、垂直型GaNの経済的な利点を量産パワーエレクトロニクスに限定します。

もし垂直型GaNを代わりに大型シリコンウェーハ上で製造できれば、経済性は大きく変わる可能性があります。

従来のGaN-on-Siバッファの問題

シリコン上に直接GaNを成長させるのは困難です。

GaNとシリコンは格子定数と熱膨張係数が異なります。

その結果、従来のGaN-on-Si構造では、通常、以下の制御のためにエンジニアリングされたバッファ層が必要です。

• 応力。

• クラッキング。

• 転位。

• ウェーハの反り。

• 電気的絶縁。

これらのバッファ層は横型デバイスにはうまく機能します。

しかし、垂直型デバイスの場合、高抵抗バッファは電流が構造を通過する必要があるため、大きな問題となる可能性があります。

横型GaNトランジスタを絶縁するのに役立つ同じ層が、垂直電流の流れを妨げる可能性があります。

これが、低抵抗バッファエンジニアリングが重要な研究方向になっている理由です。

新しい低抵抗インターレイヤーアプローチ

2026年、日本の研究者は、極めて薄いアモルファス様インターレイヤーを使用してSi(111)上にGaNを成長させる新しいアプローチを発表しました。

この方法は、シリコンとGaNの間に約サブナノメートルスケールのインターレイヤーを形成し、格子不整合を吸収しながら低い垂直電気抵抗を維持するのに役立ちます。

研究者たちは、このアプローチが、堅牢な熱安定性と垂直電流伝導を維持しながら、その後のMOCVD GaN成長をサポートできることを実証しました。

その意義は、単なる別のGaNバッファ層構造ではありません。

それは、垂直型GaN-on-Siにおける中心的な矛盾の1つに対処しています。

界面は、電気的バリアになることなく結晶不整合を吸収しなければなりません。

そのような構造が確実にスケールアップできれば、シリコンを垂直型GaNデバイスにとってより実用的なプラットフォームにすることができます。

200mmシリコンがコンセプトをより興味深いものにする

シリコンは、ネイティブGaNがまだ経済的に提供していない大きな利点を1つ提供しています。

大口径半導体インフラ。

200mmシリコンファブには、すでに以下のための成熟した設備があります。

• リソグラフィ。

• インプラント。

• 金属化。

• 検査。

• ウェーハハンドリング。

• 自動プロセス制御。

2026年に発表された研究では、200mmシリコン基板上にGaNエピタキシーを使用して製造された擬似垂直型GaN p-nダイオードのアバランシェ挙動が実証されました。デバイスは、専用のエッジ終端なしで約805Vに達し、GaN-on-Si研究が従来の横型トランジスタ構造を超えて動き始めていることを示しています。

これは、垂直型GaN-on-Siが既存のGaNまたはSiCプラットフォームを置き換える準備ができていることを意味するものではありません。

しかし、なぜ研究者が垂直型GaNデバイス物理学と大型シリコンウェーハ経済性を組み合わせる方法を調査し続けているのかを示しています。

垂直型GaNもシステムレベルのテストに進んでいます

2026年のもう1つの重要な変化は、垂直型GaNが個別のテストデバイスを超えて進んでいることです。

研究者たちは、垂直型GaNトレンチMOSFETを使用した10.4kWの三相インバーターを実証しました。

この研究では、閾値電圧シフトとオン抵抗の増加に関連する信頼性の問題も特定され、MOSインターフェースとpボディ設計の改善の重要性が強調されました。

これは技術開発の重要な段階です。

実験室での破壊電圧だけでは、パワー半導体が実用システムに対応できることを証明するものではありません。

実際のインバーターは、以下のものにデバイスをさらします。

• スイッチングストレス。

• 温度サイクル。

• 高電流。

• ゲートストレス。

• 過渡電圧。

• 並列デバイスの不均衡。

システムレベルのデモンストレーションは、単純なウェーハレベルの測定では現れない信頼性の問題を示します。

なぜGaNウェーハが依然として重要なのか

垂直型GaNがネイティブGaNまたはシリコン上で製造されるかどうかにかかわらず、ウェーハ品質は依然として基本的です。

重要なパラメータは以下のとおりです。

• 転位密度。

• ウェーハの反りおよび歪み。

• エピタキシャル厚さの均一性。

• ドリフト層ドーピングの均一性。

• 表面粗さ。

• クラック密度。

• 裏面コンタクト適合性。

高電圧垂直デバイスの場合、厚いGaNドリフト層が特に重要になります。

厚さまたはドーピングのわずかな変動は、ウェーハ全体での破壊電圧とオン抵抗の変動につながる可能性があります。

これは、垂直型GaN製造には、優れたトランジスタ構造だけでなく、非常に一貫したエピタキシャル材料も必要であることを意味します。

ネイティブGaNは依然として利点を持つ

GaN-on-siliconの研究は、ネイティブGaN基板が不要になりつつある証拠として解釈されるべきではありません。

ネイティブGaNは、非常に低い欠陥密度と優れた結晶適合性を提供できるため、最高のパフォーマンスを発揮する垂直デバイスにとって魅力的であり続けています。

2026年の垂直型GaN技術のレビューでは、ネイティブGaNが依然として高電圧動作の重要なプラットフォームとして特定されていますが、基板コストが広範な商業化の大きな障害であることも強調されています。

したがって、市場は2つの経路に沿って発展する可能性があります。

ネイティブGaNは、材料品質が高い基板コストを正当化する要求の厳しいアプリケーションに対応できます。

GaN-on-Siは、製造規模とコストがより重要な高量産アプリケーションをターゲットにできます。

次の質問は製造歩留まりです

垂直型GaNはすでに印象的な実験室性能を実証しています。

次の課題は、単に別の破壊電圧記録を達成することではありません。

業界は、垂直デバイスが以下のものを使用して製造できるかどうかを判断する必要があります。

• 安定したウェーハ間エピタキシー。

• 許容可能な欠陥密度。

• 再現性のあるMOSインターフェース。

• 高いデバイス歩留まり。

• 長期信頼性。

• 競争力のあるコスト。

低抵抗GaN-on-Siバッファ技術が改善し続ける場合、シリコンは最終的に高度なGaNデバイス物理学と高量産ウェーハ製造との間の橋渡しを提供できる可能性があります。

これにより、垂直型GaN-on-Siは、2026年以降に注目すべき最も興味深いGaNウェーハ開発の1つとなります。