GaAsパワー半導体〜携帯電話/基地局/WiFi/Bluetooth/VCSELなど幅広い用途で活躍

窒化ガリウム（GaAs）パワー半導体デバイスは、高周波・高出力アプリケーションにおいて優れた性能を発揮し、5G通信やEV、再生可能エネルギーなど幅広い分野で注目を集めています。本記事では、GaAsパワー半導体の最新動向や市場規模、主な用途、技術的課題などについて詳しく解説します。

GaAsパワー半導体関連の最新ニュース

韓国大手メーカーがGaAs半導体市場に参入
サムスン電子とSKハイニックスが化合物半導体市場、特にGaAsデバイス分野への参入を検討しています。これにより、GaAs市場の競争が激化する可能性があります。GaAsウェハー市場は、2019年の2億ドルから2025年には3億4800万ドル以上に成長すると予測されています。これは年平均成長率（CAGR）10%に相当し、GaAsデバイスの需要増加を示しています。
GaAs VCSELの需要回復
中国のスマートフォンメーカーであるHuaweiが、最新モデルMate 60 Proで3Dセンシング用GaAs VCSELを再採用しました。これにより、GaAs VCSELの需要が回復する兆しが見えています。
自動車向けGaAs応用の拡大
GaAs技術は、先進運転支援システム（ADAS）や自動運転車向けのLiDARシステムなど、自動車分野での応用が拡大しています。特に中国市場での採用が増加しており、GaAs VCSELのサプライチェーンに大きな変化をもたらしています。

6インチGaAsウェハーの普及
高効率な大量生産を実現するため、GaAsデバイスメーカーは6インチ径のGaAsウェハープラットフォームを採用しています。これにより、生産コストの削減とデバイスの性能向上が期待されます。

GaAsパワー半導体とは？

GaAsの基本特性

ガリウムヒ素（GaAs）は、ガリウム（Ga）とヒ素（As）からなる化合物半導体です。シリコンと比較して、高い電子移動度と広いバンドギャップを持ち、高周波・高出力アプリケーションに適しています。

GaAsの優位性

GaAsは、シリコンに比べて高速動作が可能で、ノイズが少なく、高温環境下でも安定して動作します。これらの特性により、GaAsデバイスは通信機器やレーダーシステムなどの高周波アプリケーションで広く使用されています。

GaAsの製造プロセス

GaAsウェハーの製造には、主に垂直勾配凍結（VGF）法が用いられています。この方法により、低欠陥密度と高い機械的強度を持つ基板を生産することができます。しかし、シリコンと比較すると製造コストが高いという課題があります。

GaAsパワー半導体の市場規模

現在の市場規模

2023年のGaAsウェハー市場は、体積シェアで48.5%をアジア太平洋地域が占めています。これは、スマートフォンやその他の高性能電子デバイスの消費が増加していることが要因です。

将来の市場予測

GaAsウェハー市場は、2019年の2億ドルから2025年には3億4800万ドル以上に成長すると予測されています。これは年平均成長率（CAGR）10%に相当します。

成長要因

市場成長の主な要因として、5G通信の普及、スマートフォンの進化、IoTデバイスの増加などが挙げられます。特に、5Gネットワークの展開に伴い、GaAsパワーアンプの需要が高まっています。

GaAsパワー半導体の主な用途

通信分野

GaAsパワー半導体は、5G基地局やスマートフォンのRFフロントエンドモジュールなど、高周波通信機器に広く使用されています。特に、高効率・高出力のパワーアンプリファイアとして重要な役割を果たしています。

航空宇宙・防衛分野

GaAsデバイスは、レーダーシステムや衛星通信システムなど、航空宇宙・防衛分野の高周波アプリケーションで広く採用されています。耐放射線性に優れているため、宇宙環境下での使用にも適しています。

自動車・産業分野

自動車分野では、先進運転支援システム（ADAS）や自動運転車向けのLiDARシステムにGaAsデバイスが使用されています。また、産業分野では、高効率パワーコンバータや高周波センサーなどにGaAsが採用されています。

GaAsパワー半導体の主な種類

GaAsパワーアンプ

GaAsパワーアンプは、高周波通信システムにおいて信号を増幅する重要な役割を果たします。特に、5G基地局やスマートフォンのRFフロントエンドモジュールで広く使用されています。GaAsパワーアンプは、高効率・高線形性・低ノイズという特性を持ち、通信品質の向上に貢献しています。

GaAsダイオード

GaAsダイオードは、高周波回路やレーダーシステム、衛星通信システムなどで使用されています。特に、ショットキーダイオードやガンダイオードとして、高周波信号の検波や発振に利用されています。GaAsダイオードは、高速スイッチング特性と低順方向電圧降下という利点を持っています。

GaAs集積回路（IC）

GaAs集積回路は、高速・高周波アプリケーションで広く使用されています。特に、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）として、通信機器やレーダーシステムなどに採用されています。GaAs ICは、高い電子移動度と低寄生容量という特性により、高速動作と低消費電力を実現しています。

GaAsパワー半導体の技術的な課題

製造コストの高さ

GaAsデバイスの最大の課題の1つは、製造コストの高さです。シリコンと比較して、GaAsは複雑な製造プロセスを必要とする化合物半導体であり、大量生産が困難です。この高コストが、GaAsデバイスの普及を妨げる要因となっています。

シリコンデバイスとの統合

GaAsデバイスは、既存のシリコンベースの電子機器との統合が難しいという課題があります。GaAsとシリコンでは物性が異なるため、製造プロセスや集積技術が異なります。この統合の難しさが、GaAsデバイスの応用範囲を制限する要因となっています。

信頼性と熱管理

GaAsデバイスは、シリコンデバイスと比較して信頼性が低いという課題があります。GaAsは温度や環境要因に敏感であり、時間とともに劣化する可能性があります。また、GaAsデバイスは高温に弱いため、効果的な熱管理が必要です。これらの課題は、GaAsデバイスを使用する電子機器の寿命や性能に影響を与える可能性があります。

GaAsパワー半導体のトップシェアメーカー

Skyworks Solutions
Skyworks Solutionsは、GaAsパワー半導体市場でトップシェアを誇る企業の1つです。同社は、スマートフォンやその他の無線通信デバイス向けのRFソリューションを提供しています。特に、5G対応のGaAsパワーアンプリファイアで強みを持っています。
Qorvo
Qorvoは、GaAsパワー半導体市場で主要なプレイヤーの1つです。同社は、通信、防衛、航空宇宙分野向けのRFソリューションを提供しています。特に、GaAsベースのMMICと高出力アンプリファイアで高い評価を得ています。
Broadcom Inc.
Broadcom Inc.は、幅広い半導体製品を提供する大手企業であり、GaAsパワー半導体市場でも重要な位置を占めています。同社は、通信インフラやデータセンター向けのGaAsベースのRFソリューションを提供しています。

まとめ

GaAsパワー半導体デバイスは、高周波・高出力アプリケーションにおいて優れた性能を発揮し、5G通信やEV、再生可能エネルギーなど幅広い分野で注目を集めています。市場規模は着実に拡大しており、2025年には3億4800万ドル以上に達すると予測されています。

主な用途としては、通信分野、航空宇宙・防衛分野、自動車・産業分野が挙げられ、GaAsパワーアンプ、ダイオード、集積回路などの形で利用されています。

一方で、製造コストの高さ、シリコンデバイスとの統合の難しさ、信頼性と熱管理の課題など、技術的な課題も存在します。これらの課題を克服し、GaAsパワー半導体の可能性を最大限に引き出すためには、継続的な研究開発と製造プロセスの改善が必要です。

Skyworks Solutions、Qorvo、Broadcom Inc.などの主要メーカーが市場をリードする中、韓国の大手メーカーの参入や米国CHIPS法による支援など、業界の動向も活発化しています。今後、GaAsパワー半導体デバイスの進化が、次世代の電子機器や通信システムの発展にどのような影響を与えるか、注目が集まっています。