GaN(窒化ガリウム)半導体とは?仕組み・SiCとの違い・AIデータセンターで飛躍する理由を解説

スマホの急速充電器が数年で驚くほど小さくなったことに気づいた人は多いはずです。その立役者がGaN(窒化ガリウム)半導体。そして2026年、GaNは充電器を飛び出してAIデータセンターの電源という巨大市場で飛躍しようとしています。世界市場は2024年の約3.6億ドルから2030年に約30億ドル、年率42%成長という予測もある急成長分野です。

本記事では、GaNとは何か、なぜ高効率なのか(HEMT構造と2DEG)、SiCとの使い分け、そしてAIデータセンターで需要が爆発しつつある理由を、技術の基礎から順に解説します。

Contents

GaN(窒化ガリウム)とは? — ワイドバンドギャップ半導体の代表格
なぜ速い? — HEMT構造と「2次元電子ガス」
GaNの3つの顔 — LED・通信・パワー
製造の工夫 — GaN-on-Siとノーマリーオフ化
SiCとの使い分け — ライバルではなく「共存」
2026年、AIデータセンターでGaNが飛躍する理由
GaNの課題と次の進化
よくある質問(FAQ)
まとめ

GaN(窒化ガリウム)とは? — ワイドバンドギャップ半導体の代表格

GaNはガリウム(Ga)と窒素(N)の化合物半導体です。最大の特徴はバンドギャップの広さで、シリコンの約3倍あります。

物性	Si(シリコン)	SiC(炭化ケイ素)	GaN(窒化ガリウム)
バンドギャップ	1.1 eV	3.3 eV	3.4 eV
絶縁破壊電界	1(基準)	約10倍	約10倍
電子の速さ(飽和速度)	1(基準)	約2倍	約2.5倍
得意分野	低コスト・低圧	高耐圧・大電流	高周波・高効率

バンドギャップが広い=電気的に「壊れにくい」ため、同じ電圧に耐える素子をシリコンの1/10の薄さで作れます。薄ければ電気抵抗が小さく、損失も小さい。これがGaNやSiCが「次世代パワー半導体」と呼ばれる根本理由です。

なぜ速い? — HEMT構造と「2次元電子ガス」

GaNパワーデバイスの心臓部はHEMT(High Electron Mobility Transistor: 高電子移動度トランジスタ)という構造です。

GaNの上にAlGaN(アルミニウムを混ぜたGaN)を重ねると、2つの材料の境界面に2DEG(2次元電子ガス)と呼ばれる電子の超高速通路が自然に形成されます。電子が不純物に邪魔されずシート状の通路を走るため、移動度が非常に高く、MHz級の高速スイッチングが可能になります。

スイッチングが速いことには連鎖的なメリットがあります。

周辺部品が小さくなる: 電源回路のトランスやコンデンサは、スイッチング周波数が高いほど小型化できる。GaN充電器が小さいのはこのため
スイッチング損失が減る: オン・オフの切り替え瞬間に発生する損失は、切り替えが速いほど小さい
電力密度が上がる: 同じ大きさの電源からより大きな電力を取り出せる

GaNの3つの顔 — LED・通信・パワー

実はGaNの「デビュー作」はパワー半導体ではありません。

① 光(原点): 青色LEDの材料こそGaNです。赤崎勇・天野浩・中村修二の3氏が2014年のノーベル物理学賞を受賞した、日本と縁の深い材料です
② 高周波(RF): 電子の速さを活かし、5G基地局の送信アンプやレーダー・衛星通信で活躍。住友電工や三菱電機など日本勢が強い分野です
③ パワー(現在の主戦場): 急速充電器で一気に普及し、いまAIデータセンター電源へ拡大中

製造の工夫 — GaN-on-Siとノーマリーオフ化

GaNには「GaNの単結晶基板が非常に高価」という弱点があります。そこで現在の主流は、安価なシリコン基板の上にGaNの薄膜を成長させる「GaN-on-Si」です。結晶の格子サイズが違う材料を重ねるため、間に緩衝層(バッファ層)を挟んで歪みを逃がす高度な成膜技術が使われます。既存のシリコン工場のラインを活用できるため、量産性とコストで大きな利点があります。

もうひとつの工夫がノーマリーオフ化です。HEMTは何もしないと電流が流れてしまう「ノーマリーオン」の性質があり、電源が落ちた瞬間に素子が導通する状態は電源用として危険です。このためゲートにp型GaNを載せる方式(p-GaNゲート)や、シリコントランジスタと組み合わせるカスコード方式で「オフが基本」の安全な素子に仕立てています。

SiCとの使い分け — ライバルではなく「共存」

	GaN	SiC
得意な電圧帯	〜650V中心	650V〜3.3kV超
強み	高周波・小型化・低スイッチング損失	高耐圧・大電流・高温動作
主な用途	充電器、サーバー電源のPFC/LLC段、DC-DC	EVインバーター、鉄道、高電圧給電・BBU
基板	Si基板上に成長(安価)	SiC単結晶基板(高価だが低抵抗)

「GaN vs SiC」と対立で語られがちですが、実際は電圧帯と周波数で持ち場が違う補完関係です。AIサーバーの電源では、入口の高電圧部にSiC、中間の変換段にGaN、チップ直近の低圧部にSiと、3種が1つの電力チェーンに同居します。ロームが「役割分担から共存へ」と表現したのはまさにこの構造で、詳しくは「ロームのAIサーバー向け次世代パワー半導体」で解説しています。

2026年、AIデータセンターでGaNが飛躍する理由

調査会社Omdiaは、データセンターを含むコンピューティング向けパワー半導体市場が2026年に前年比7%成長し、パワー半導体全体(+6%)を上回ると予測しています。牽引役がAIサーバーであり、GaNには追い風が重なっています。

電源の高密度化要求: ラックの電力密度が急上昇し、「小さくて高効率な電源」の価値が跳ね上がった。高周波化で小型化できるGaNの独壇場
NVIDIAの存在: 日経クロステックは「AIデータセンターでGaN飛躍、注目はNVIDIA」と報じており、GPU大手が主導する次世代給電アーキテクチャ(800V級の高電圧直流化)の議論の中で、GaN・SiCの採用検討が進む
採用実績の積み上がり: ロームのEcoGaNがAIサーバー電源に採用、ルネサスも2025年7月に650V耐圧GaNを投入するなど、日本勢を含む各社の製品化が加速

主要プレイヤーは、Infineon(2023年にGaN Systemsを買収)、米Navitas、米EPC、中国Innoscience、TI、ST、そして日本のローム・ルネサス・東芝デバイスなど。急成長市場ゆえに再編も活発で、ファウンドリの受託体制が変わる動き(TSMCのGaN受託事業からの撤退報道など)も業界の注目点です。

GaNの課題と次の進化

高耐圧化の壁: 現在の横型HEMTは650V級が中心で、それ以上はSiCの領域。素子を縦方向に電流を流す縦型GaNの研究が進んでおり、実用化すればSiCの牙城に食い込む可能性がある
信頼性の作り込み: 高速スイッチング特有の現象(電流コラプス=動作中に一時的にオン抵抗が上がる現象)への対策など、シリコンにはない設計ノウハウが必要
価格: シリコンより高価。ただしGaN-on-Siの量産拡大と、周辺部品の小型化による「システム全体のコスト」では逆転が進んでいる