窒化ガリウム（GaN）半導体デバイス市場 サイズと展望 2025-2033

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市場成長要因

遺伝子工学技術の進歩

GaN半導体技術は過去5年間で飛躍的に進歩しました。GaN半導体はダイオードの性能を大幅に向上させ、製造価格も大幅に低下しました。東芝、GaN Systems、Efficient Power Conversion Corporationなどの市場参加者は、最先端のGaN技術の開発に注力しています。この傾向は、予測期間中の市場拡大を促進すると予想されます。例えば、東芝は、GaNパワーデバイスの閾値電圧などの特性変化を低減し、信頼性を向上させるゲート絶縁膜プロセス技術を開発しました。

GaN技術の開発は、空軍研究所、マックス・プランク協会、ヘルムホルツ協会など、多くの研究機関の注力分野となっています。例えば、空軍研究所は2016年3月に短ゲート窒化ガリウム（GaN）半導体技術を開発しました。この技術は、レーダー、衛星通信、ソフトウェア無線など、より広い周波数帯域を必要とする用途向けの半導体開発に適しています。研究機関は、GaN系半導体の製造技術の進歩を促進するため、様々な企業と契約を締結しています。例えば、レイセオン社は2017年4月、空軍研究所からGaN系半導体の製造方法の改良に関する1,490万ドルの契約を獲得しました。

市場の制約

バルク窒化ガリウム（GaN）の高コスト

GaNは現在非常に高価で、2インチ基板1枚あたり約1,900ドル以上かかります。6インチ基板の価格が25ドルから50ドルであるシリコン基板と比較すると、GaNのコストははるかに高くなります。 GaNの製造コストの高さは、バルクGaNの価格高騰の主な原因です。GaNの製造に用いられるアンモノサーマル法とハイドライド気相成長法（HVPE）は、シリコン基板よりもはるかに製造コストが高くなります。GaN-on-SiC技術の高コストは、無線通信基地局やケーブルテレビなどのアプリケーションにおけるシリコンカーバイド上窒化ガリウム（GaN-on-SiC）の採用を阻む大きな障害となっています。さらに、3.5GHz未満の周波数範囲で動作するアプリケーションでは、GaN-on-SiC技術はSi-LDMOSなどの代替技術と比較して費用対効果が高くありません。

さらに、GaN-on-SiCはSiC-on-SiCと比較してコストが高いため、市場の成長を阻害すると予想されています。GaN-on-SiC製品は、SiC-on-SiC製品よりも約50%高価です。さらに、GaN-on-SiCはSiC-on-SiCに比べて欠陥率が大幅に高く、市場拡大に悪影響を及ぼす可能性があります。バルクGaNのより効率的な代替品と考えられる窒化アルミニウム（AlN）などの新材料の導入は、市場の拡大を抑制する可能性があります。

市場機会

5GインフラにおけるGaNの利用拡大

現在、GaNは米国と日本の5Gネットワ​​ークにおいて、リモート無線ヘッドネットワーク（RHR）の高密度化アプリケーション、タイニーセル、分散アンテナシステム（DAS）向けに広く採用されています。GaNは、より高い周波数と低い設置コストが求められるタイニーセルなどの他の国々の5Gネットワ​​ークアプリケーションにも使用されると予測されています。通信サービスプロバイダーの主な目的は、ネットワークの容量拡大、低遅延、そしてあらゆる場所での接続を提供することです。 5Gインフラのエネルギー効率、データ速度、レイテンシ、トラフィック容量といった効率性も、通信事業者にとって重要な関心分野です。

2021年までに、ドイツ、インド、ロシアなどの国々で商用5Gネットワ​​ークの立ち上げが予定されています。これにより、GaNデバイスメーカーは大きな展望を得ることが期待されています。基地局、送信機、データセンターを含む5GインフラにおけるGaNの活用拡大は、ノキアやAT&Tといった大手通信事業者によって積極的に推進されています。GaNデバイスは優れたドレイン効率を備えているため、5Gネットワ​​ークインフラでの使用に適しています。さらに、GaNデバイスのドレイン効率は約60%であるのに対し、LDMOSデバイスは50%未満です。

製品インサイト

製品別に見ると、世界のGaN半導体デバイス市場は、GaN高周波デバイス、オプト半導体、パワー半導体の3つに分類されます。パワー半導体セグメントは市場への貢献度が最も高く、予測期間中は年平均成長率（CAGR）21.60%で成長すると予想されています。GaNベースのパワー半導体は高温でも動作するため、マイクロ波デバイスなどの用途に最適です。過去数年間で、これらの半導体は目覚ましい進歩を遂げており、例えば低電圧データ処理回路と信号処理回路を組み合わせることで実現した電力機能保護など、様々な民生機器やIT周辺機器でその効果が実証されています。システムコストの削減とチップサイズの小型化により、集積回路（IC）の効率と機能も向上しています。 GaNパワー半導体は、衛星通信、マイクロインバータ、バラスト、SMPS、電気自動車充電器、電気自動車用バッテリーにも採用されています。

発光ダイオード（LED）、太陽電池、フォトトランジスタ、レーザー、オプトエレクトロニクスは、光半導体の用途のほんの一部に過ぎません。自動車業界や民生用電子機器業界におけるGaN半導体の採用拡大により、光半導体の導入が拡大しています。GaN半導体は主にパルス駆動レーザー、屋内・屋外照明、自動車用ライトに利用されています。また、パルスレーザーや光検出・測距（LiDAR）などの用途にも広く採用されており、この分野の拡大を後押ししています。通信事業者が注力している同軸ケーブルから光ファイバーへの移行は、この分野の成長を大幅に加速させると予想されています。さらに、デジタルサイネージやディスプレイ機器では、GaN技術を採用したLEDが頻繁に使用されています。

コンポーネントインサイト

コンポーネント別に見ると、世界のGaN半導体デバイス市場は、トランジスタ、ダイオード、整流器、パワーIC、その他に分類されます。パワーICセグメントは最大の市場シェアを誇り、予測期間中は22.45%のCAGRで成長すると予想されています。効率的なナビゲーション、衝突回避、リアルタイム航空管制などの機能を提供するGaNベースのパワーICの採用拡大により、パワーIC市場は予測期間中に大幅なCAGRを記録すると予測されています。富士通株式会社、Qorvo, Inc.、株式会社東芝も通信アプリケーション向けのパワーICの開発に注力しており、このセグメントの成長を牽引しています。例えば、2017年6月、Qorvo社は、ポイントツーポイントおよび5G無線基地局・端末アプリケーション向けのデュアルチャネル次世代5G無線フロントエンドモジュールIC-QPF4005をリリースしました。さらに、東芝は2017年8月に、パワーICの信頼性を向上させるゲート絶縁膜プロセス技術を発表しました。この技術は、閾値電圧などの特性変動を低減します。

GaNダイオードは、インターフェース回路、ドライバ回路、スイッチング負荷、IC回路管理、インバータ回路など、様々なデジタル電子アプリケーションにおいて不可欠な駆動力となっています。コンパクトな設計と軽量設計により、小型電気部品間のスイッチングを信頼性高く、かつ低コストで実現します。さらに、GaNダイオードは消費電力が低く、機械的衝撃や振動に強いため、信頼性とエネルギー効率が向上します。

ウェーハサイズに関する考察

ウェーハサイズに基づいて、世界のGaN半導体デバイス市場は2インチ、4インチ、6インチ、8インチに分類されます。6インチセグメントは市場への貢献度が最も高く、予測期間中は24.80%のCAGRで成長すると予想されています。6インチウェーハは、優れた電圧均一性と微細な電流制御を提供します。高い破壊電圧や低い電流リークなどの特徴から、民生用電子機器や防衛機器で広く使用されています。防衛機器製造の増加は、窒化ガリウム業界における6インチウェーハの市場浸透を促進しました。高出力LEDや光検出器は、これらのウェーハ上の半導体を利用しています。ヘルスケア、航空宇宙・軍事、自動車などの分野や業界で利用される製品におけるこれらの半導体の使用が増加していることは、このセグメントの成長にとって明るい材料です。

GaN-on-Siトランジスタやその他の電子周辺機器向けに高出力GaNを動的に供給するために、8インチウエハが最近導入されました。8インチウエハを使用した半導体は、4インチおよび6インチウエハを使用した半導体と比較して、寄生容量を最大90%削減できるため、主にパワーエレクトロニクスや化合物半導体デバイスで使用され、生産性の向上と優れたプロセス制御を実現します。音楽システム、ラジオ、車車間通信システム、スマートフォン用車載充電器、車内照明システムなどの車載アプリケーションはすべて、8インチウエハーで製造されたデバイスを使用しています。

エンドユーザーインサイト

エンドユーザー別に見ると、世界のGaN半導体デバイス市場は、自動車、民生用電子機器、防衛・航空宇宙、ヘルスケア、情報通信技術、産業・電力、その他に分類されます。情報通信分野は最大の市場シェアを占め、予測期間中は年平均成長率（CAGR）21.55%で成長すると予想されています。モノのインターネット（IoT）技術の普及に伴い、情報通信技術における窒化ガリウムの使用頻度が高まっています。次世代ネットワークデバイスでは、インテリジェントコンピューティングの需要がさらに高まると予想されており、GaNベースの半導体市場は堅調に推移しています。無線周波数アプリケーション向けのICTデバイスにはシリコンが使用されていますが、GaNは優れた安定性と低消費電力を実現するため、これらのシリコンベースのデバイスに取って代わっています。 GaN半導体は、スモールセル、遠隔無線ヘッドネットワーク、分散アンテナシステム（DAS）などのアプリケーションで広く利用されています。

窒化ガリウムは、通信、電子戦、レーダーの帯域幅と性能の信頼性を向上させるために、様々な防衛・航空宇宙アプリケーションで利用されています。レーダーボードに使用されるICに使用されているGaN半導体は、効果的なナビゲーション、衝突回避、リアルタイムの航空管制を可能にします。さらに、軍用無線信号ブースターや電子砲兵部品にも窒化ガリウムが使用されています。GAN FETは、DC-DCコンバータなどのパワーエレクトロニクスでも頻繁に使用されています。

GaNは、コンピューターのマザーボード、電子機器の充電器、スイッチング電源（SMPS）など、さまざまな種類の電子機器で利用されています。GaNは、屋内外の照明に使用されるLEDにも使用されています。エアコン、テレビ、エンターテイメントシステム、冷蔵庫などの家電製品のリモコンに使用されるLEDは、GaNデバイスが使用される主要な民生用電子機器の一つです。これらのプログラムは、2021年にエンドユーザー市場を席巻した民生用電子機器業界の拡大に貢献しています。

地域分析

北米は、世界の窒化ガリウム（GaN）半導体デバイス市場において最大のシェアを占めており、予測期間中に年平均成長率（CAGR）22.35%で成長すると予測されています。GaNベースのパワー半導体デバイスの開発を促進する政府の取り組みにより、北米におけるMBEシステムの需要が拡大すると予想されています。GaNグリッドアプリケーションイニシアチブ（GIGA）プロジェクトは、米国エネルギー省（DOE）の電力供給・エネルギー信頼性局によって2009年に開始されました。このプロジェクトの主な目標は、ソリッドステートトランスフォーマー、故障電流制限装置、インバータ、電力潮流制御装置など、窒化ガリウムオンシリコン（GaNonSi）技術に基づくパワーエレクトロニクスデバイスの開発でした。これらのソリューションは、電力網の電力吸収、管理、および再ルーティング能力を向上させました。

アジア太平洋地域の市場動向

アジア太平洋地域は、予測期間中に年平均成長率（CAGR）24.20%で成長し、33億7,548万米ドルの収益を生み出すと予測されています。アジア太平洋地域の産業は、技術進歩の加速と、それに伴う高効率で高性能なRFコンポーネントへの需要により、予測期間中、どの地域市場よりも速いペースで成長すると予測されています。この地域におけるLEDディスプレイデバイス、携帯電話、ゲーム機などの民生用電子機器の主要生産国には、中国や日本などが挙げられます。これは、地域市場の拡大を牽引する重要な要因です。中国、インド、韓国などの国防予算の拡大に伴い、信頼性の高い通信機器の需要が高まっています。この需要は、GaNベースのRFデバイス市場の成長を牽引すると予想されています。アジア太平洋地域における無線電子機器の普及の急増と通信インフラの普及が、市場の成長をさらに牽引しています。

欧州市場動向

欧州は予測期間中に大幅な成長が見込まれています。Imosysは2016年7月にEfficient Power Conversion Corporationの欧州代理店に選定され、技術サポート、販売・マーケティング業務を担当しています。Imosysの広範なネットワーク、技術経験、そして現地でのサポート提供能力は、ヨーロッパ全域で最先端の電子機器をエンジニアや設計者に提供できるようにするという同社の目標達成に貢献しました。

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窒化ガリウム（GaN）半導体デバイス市場のトップ競合他社

1. CreeInc.
2. Efficient Power Conversion Corporation
3. Fujitsu Ltd.
4. GaN Systems
5. Infineon Technologies AG
6. NexgenPowerSystems
7. NXP Semiconductor
8. Qorvo Inc.
9. Texas Instruments Incorporated
10. Toshiba Corporation

最近の開発状況

• 2022年10月 - NXPは、自動車のコネクティビティとセキュリティを実現するOrangeBoxコントローラを発表しました。NXPのOrangeBox開発プラットフォームは、車両の有線および無線接続オプションを単一のコネクティビティドメインコントローラに統合できます。これらのソリューションでは、無線、Wi-Fi、セキュアカーアクセス、V2Xなどの技術を活用することができます。