著者
リチャードソンRFPD
エネルギー貯蔵と電力変換
WBG半導体
シリコンは単一の化学物質だが、炭化シリコンは炭素とシリコンの化合物である。窒化ガリウムはガリウムと窒素の化合物である。このため、これらの成分を用いて製造される半導体は "化合物半導体 "とも呼ばれる。
SiCとGaNはWBG半導体のカテゴリーに属し、従来のシリコン半導体に比べていくつかの利点がある。
EV、再生可能エネルギー・システム、そして次世代家電が可能性の限界に挑む中、ワイドバンドギャップ材料が主役に躍り出ようとしている。
WBG半導体の利点
シリコンは長年にわたり支配的な地位を占めてきたが、既存および新興アプリケーションの増加により、その性能限界に達しつつある。SiCとGaNは、信頼性、エネルギー効率、電力密度、システムの小型化とコスト削減の面で重要な利点を提供します。これらの利点により、SiCとGaNは、シリコンに比べ圧倒的に優れた性能を持つ最先端の電子・光デバイスを実現する可能性を秘めています。
WBG半導体はより高い電界に耐えることができるため、より高い電圧を維持することができます。また、より高いスイッチング周波数で動作させることができるため、性能が向上し、フィルタリングの必要性が最小限に抑えられ、関連するインダクタやコンデンサ部品をより小さくすることができます。
シリコンと比較した場合、これらの要素は、小型化、高速化、高効率化、高信頼性動作など、いくつかの利点をもたらします。高電圧機能は、効率を劇的に改善し、同じ性能をより小さなフォーム・ファクタで実現する、または同じフォーム・ファクタで性能を向上させる、より高い電力設計の機会を開きます。効率は重量に反比例し、最終的にはターゲット・アプリケーションの動作に伴う二酸化炭素排出量になります。
WBG技術に基づく多くのデバイスは、従来のシリコンデバイスよりも高い最高温度で動作するという利点もある。
SiCとGaNの比較
シリコンのバンドギャップが1.12eV（電子ボルト）であるのに対し、GaNは3.4eV、SiCは3.2eVと、約3倍のバンドギャップを持っている。これは、どちらもより薄いダイでより高い電圧をサポートできることを意味し、これはより高いスイッチング周波数能力に貢献する。さらに、両技術の間には、その動作や使用場所に影響を与えるいくつかの材料特性の違いがある。主な違いをまとめると以下のようになる：
電子移動度：GaNとSiCの最も重要な違いは電子移動度である。これは、電子が半導体材料中をどれだけ速く移動できるかを示す尺度である。シリコンの電子移動度が1500cm2/Vsであるのに対し、GaNの電子移動度は2000cm2/Vsである。一方、SiCの電子移動度は700cm2/Vsであり、SiCの電子はGaNやシリコンの電子よりも動きが遅い。このように電子移動度が高いため、GaNは高周波用途に3倍近く適している。
絶縁破壊電界強度：GaNとSiCの絶縁破壊電界強度は同程度で、GaNは3.3MV/cm、SiCは3.5MV/cmである。シリコンの絶縁破壊電界強度は0.3MV/cmであるため、GaNとSiCは、ダイ厚さ単位あたり10倍近く高い電圧を維持できることになる。GaNとSiCは、ダイ厚さあたり10倍近い高電圧を維持できることになる。GaNとSiCはまた、大幅に小さく薄いデバイスを使用して低電圧をサポートすることもできる。
熱伝導率：材料の熱伝導率は、熱を伝える能力である。熱伝導率は、使用中の材料の温度上昇に直接影響します。大電力アプリケーションでは、材料の非効率性が熱を発生させるため、材料の温度が上昇し、その結果、電気的特性が変化します。GaNの熱伝導率は1.3W/cmKで、シリコンの1.5W/cmKより悪い。
SiCの熱伝導率は5W/cmKであり、熱負荷を伝える能力が3倍以上優れている。このためSiCは、必ずしも高周波スイッチングを必要としないが、高電圧動作や放熱性の向上が必要な大電力高温アプリケーションにおいて優位性を発揮する。例えば、EV、一部の太陽光発電設計、鉄道牽引、風力タービン、配電網、産業用および医療用画像処理などが挙げられる。
GaNとSiCの主な特性を表1にまとめた。
パラメータ | シンボル | 単位 | Si | SiC | 窒化ガリウム | バンドギャップ | Ec | 電子ボルト | 1.12 | 3.2 | 3.43 |
|---|---|---|---|---|---|
比誘電率 | εs | - | 11.9 | 10 | 9.5 |
電子移動度 | μn | cm2/(V.s) | 1500 | 700 | 2000 |
ピーク電子速度 | vピーク | 107>- cm/s | 1 | 2 | 2.5 |
臨界電界 | エコ | MV/cm | 0.3 | 3.0 | 3.3 |
表1 SiCとGaN半導体の主な特性
SiC & GaN: アプリケーション例
WBGコンポーネントはパワー・アプリケーションに最適ですが、その用途は多くの分野で高度に多様化しています。一般的に、SiCは高電圧、高出力のアプリケーションでよく使用され、GaNは低電圧、高周波、高効率が主な設計目標であるアプリケーションで優れています。SiCデバイスの応用例には以下のようなものがある：
電気自動車と急速充電器／非接触給電：インバーターに使用されるシリコンデバイスを低損失のSiCデバイスに置き換えることで、高効率・軽量なインバーターが実現でき、EV走行距離の延長、バッテリー負荷の低減が可能となる。非接触給電によるEV急速充電器には、高耐圧・高周波動作のSiCデバイスが最適。
再生可能エネルギー用インバーター（太陽光および風力）：太陽光発電や風力発電システムでは、電力レベルが高い場合、SiCインバーターは電力損失を最小限に抑えることで、エネルギー出力を最大化することができます。太陽電池メーカーやエンジニアが、他の材料よりもSiCの使用を奨励するもう一つの要因は、その耐久性と信頼性である。炭化ケイ素の信頼性により、太陽エネルギー・システムは、10年以上の連続運転に必要な安定した寿命を達成することができる。GaNデバイスが小型のソーラー・インバーター、特に効率が高く評価されるパネルごとの「マイクロ・インバーター」に採用されていることも注目に値する。
産業用モータードライブSiCは、効率改善、小型化、優れた熱性能を備えたモーターインバータを提供し、モータードライブをローカルまたはモーター自体に配置することを可能にします。SiCの効率とハイパワー処理能力は、工場や工業プラントの産業用モーターの性能を向上させます。
高電圧電源：SiCトランジスタは、効率的でコンパクトな高電圧電源の構築に役立っています。
SiCは大電力領域を支配しているが、GaNはより低い電力レベル（数キロワット）で優れている。GaNトランジスタは、伝導損失とスイッチング・エネルギー損失が低いため、効率が向上し、システム・フォーム・ファクターが小さくなります。応用例として以下が挙げられる：
DC-DCコンバータ（電圧レギュレータ）：GaNの効率向上は、さまざまな電子機器の電圧レギュレーターに理想的です。
USB-PD電源：これらのデバイスは、様々なデバイスに接続できるように、急速充電が可能で、複数の電圧を供給できなければならない。また、携帯性を考慮し、可能な限り小型であることも求められる。高電子移動度トランジスタ（HEMT）のようなGaNデバイスは、高い効率を維持しながらMHzスイッチングが可能な高電圧デバイスであるため、これらの要件を満たすのに効果的である。
レーダーシステム：GaNデバイスの高電力密度特性は、よりコンパクトで軽量なシステムの設計を可能にすると同時に、より長い検出範囲と高分解能を提供します。
5G および 6G 通信タワーGaNの高速性と高電力密度は、特に5Gおよび6Gネットワークにおけるマイクロ波アプリケーションに理想的なソリューションです。主な代替品であるシリコン横拡散MOS（LDMOS）デバイスは低コストですが、性能は低下します。4GHz以上の周波数では、GaNはほとんど競合に直面しない。
高速無線通信：GaNベースのデバイスは、その高耐圧と高電子移動度により、テラヘルツ周波数帯で動作可能であり、次世代の超高速無線通信（
）を可能にする重要な技術になる可能性がある。
オプトエレクトロニクスGaNは青色LEDとレーザーの中核材料であり、ディスプレイ技術と光ストレージを支えている。一方、GaNベースの白色LEDは、現代の省エネルギー固体照明ソリューションの基礎となっている。
これら2つのWBG半導体の定性的比較を表2にまとめた。
特徴 | SiC | 窒化ガリウム | 電圧 | 高（650V以上） | 中（650Vまで） |
|---|---|---|
パワー | 中～高 | 低～中 |
温度耐性 | 高い | 中程度 |
頻度 | 中程度 | 高い |
システム・サイズ | より大きい | 小さめ |
コスト | より低い | より高い |
代表的なアプリケーション | パワーグリッド、EVインバーター、モーター | RFデバイス、高速電源、小型設計 |
表2：SiCとGaNの定性的比較
環境への影響
産業界がますます持続可能性と環境責任を優先するようになるにつれ、SiCやGaNのような材料の環境への影響を評価することが不可欠になっている。
SiCは、主にその耐久性と効率に起因するいくつかの環境上の利点を誇っています。その高い導電性と高電圧での低いスイッチング損失は、パワーエレクトロニクスのエネルギー損失を低減し、エネルギー効率の改善と温室効果ガスの排出削減につながります。SiCの堅牢性と信頼性は製品寿命の延長に貢献し、電子廃棄物の削減につながります。
さらに、SiCは比較的豊富な材料であり、生産に利用可能なシリコンと炭素の供給源も十分にあるため、資源枯渇の懸念も少ない。廃棄に関しては、SiCの化学的安定性により不活性かつ無毒であるため、使用済みシナリオにおける環境リスクは最小限に抑えられる。
GaNは、主にそのエネルギー効率と高性能特性を通じて環境面でのメリットを提供する。その低オン抵抗と高速スイッチング速度は、電力損失の低減につながり、すでに上述したさまざまなアプリケーションにおけるエネルギー消費量と二酸化炭素排出量の削減につながります。
GaNの環境への影響に関する懸念は、主に、採掘プロセスを通じて抽出される比較的希少な元素であるガリウムの調達に関連している。しかし、ガリウム抽出技術を改善し、代替ソースを探求する現在進行中の努力は、これらの懸念を緩和し、持続可能なGaN生産を確保することを目的としている。
SiCとGaNは、従来の半導体材料に比べて環境面で大きなメリットをもたらすが、その持続可能性プロファイルをさらに最適化するためには、継続的な研究開発努力が不可欠である。
コストとサプライチェーン
GaNとSiCの調達に関する主な問題の一つは、シリコンに比べて相対的にコストが高いことである。GaNとSiCがより高価なのは、主にその成長とデバイス製造プロセスが複雑なためである。例えば、高品質のGaNやSiC層に必要なエピタキシャル成長には、シリコンに使われるものよりコストが高く、成熟していない高度な技術が含まれる。
さらに、大口径ウェーハの入手可能性は限られており、コスト上昇や製造プロセスの拡張性に影響を及ぼしている。このコスト障壁は、一部の業界、特に薄利多売の業界にとって、こうした先端半導体の採用を躊躇させる要因となっている。
サプライチェーンと品質管理は、さらなる課題となる。GaNとSiCの製造が比較的始まったばかりであるため、高品質の材料を安定して生産できるサプライヤーが少ない。これはボトルネックとリードタイムの増加につながる可能性がある。
さらに、デバイスの信頼性と一貫性を確保するには、厳格な品質管理措置が必要である。
しかし、業界はこれらの課題への取り組みにおいて大きな進歩を遂げている。バルク生産、エピタキシャル成長、デバイス製造の進歩により、GaN と SiC デバイスのコスト削減と品質向上が着実に進んでいる。さらに、規模の経済が達成されるにつれて、シリコンとの価格格差は縮小し、その結果、ワイドバンドギャップ半導体はさらに高い普及率を達成すると予想される。
WBG：エレクトロニクスの未来
SiCとGaNのどちらを選択するかは、アプリケーション固有の要件にかかっている。SiCは高電圧、高出力のアプリケーションに理想的なソリューションですが、GaNは高周波で効率重視のシナリオに優れています。システム設計者は、定格電圧、電力要件、周波数範囲、温度耐性、予算などの要素を考慮して決定する必要がある。さらに、プロジェクトが容易に入手可能な部品と確立された設計手法を要求する場合は、SiCの方がより現実的な選択かもしれない。
いずれの材料を選択するにしても、SiCとGaNの両方がパワーエレクトロニクスの未来を象徴している。EV、再生可能エネルギー・システム、次世代コンシューマー・エレクトロニクスが可能性の限界に挑む中、ワイド・バンドギャップ材料が主役の座を占める態勢が整っている。
