（前回から続く）

4　パワー半導体はSiからSiCやGaNへ

　世界的なグリーン・ニューディール政策などによってパワー半導体の市場拡大が続いている。その種類はサイリスタ，GTO（gate turn-off thyristor），バイポーラト・ランジスタ（bipolar transistor）などからMOS FET（metal oxide silicon field effect transistor），IGBT（insulated gate bipolar transistor）へと進展し，応用分野も家電製品からOA，産業，医療，電気自動車（EV），鉄道，電力インフラに至る幅広い分野へと拡大してきた。現在，パワー半導体が扱う電力の範囲は数Wのスイッチング電源からGW級の直流送電までに達している。身の回りの様々な電子機器にパワー半導体が使われているのである。

　しかし，従来のSiを使ったパワー半導体は，Siの物性で決まる理論的な性能限界に近づいており，飛躍的な性能向上を期待することが困難になってきた。そこでSiC，GaN，ダイヤモンドなどの材料を使った次世代型パワー半導体に注目が集まるようになっている。例えば，電力変換の際のロスを減らすためにパワーMOS FETの低抵抗化が求められているが，現在主流のSi-MOS FETでは大幅な低抵抗化が難しい。そこでバンド・ギャップが広い（ワイド・ギャップ）半導体であるSiCを使った低損失パワーMOS FETの開発が進んでいる。

　SiCやGaNは，バンド・ギャップがSiの約3倍，破壊電界強度が10倍以上という優れた特性を持っている。また高温動作（SiCでは650℃動作の報告がある），高い熱伝導度（SiCはCu並み），大きな飽和電子ドリフト速度などの特徴もある。この結果，SiCやGaNを使えばパワー半導体のオン抵抗を下げ，電力変換回路の電力損失を大幅に削減することが可能である。例えば，日本では総電力消費の約50％がモーターで消費されているとから，各種モーターやエアコンなどでインバータ化やインバータの高効率化を推進すると，日本だけで原子力発電所4基分（CO2排出量1000万トン）の省エネ効果を期待できるとの試算がある。

5　HVやEVで期待が集まるSiC

　このうち，SiCパワー半導体はSiパワー半導体に比べて電力損失を70～90％削減できると予想されている。さらにSiCは，1kV以上の高耐圧に耐えられることから電力，鉄道，産業用途に適している。特にハイブリッド自動車（HV）や電気自動車（EV）のモーター駆動用インバータでは1kV程度の高耐圧が必要なことから，SiCパワー半導体に大きな期待が集まっている。これらの意味でSiCパワー半導体は省エネ・デバイスとして重点的に研究開発を進めるべき分野といえる。

　SiCパワー半導体の開発状況は，ウエハー技術とプロセス技術の両面ともかなり進んできた。ウエハーに関しては，エピタキシャル成長の基盤技術が確立し，50～75mm径のウエハーが市販されている。マイクロパイプ欠陥が１個/cm2レベルまで減少してきた。ただし，転位欠陥は特別な条件でしか数百個/cm2レベルが得られない状態である。通常の状態では数千から１万個/cm2程度であり，大幅な減少が急務である。プロセス技術はデバイス製造可能な水準に達しつつある。海外メーカを中心に複数企業が電流4～12A，電圧300～1200V系のSiC-SBD（schottky barrier diode）を市販しており，既に電源回路に組み込まれるようになった。

　残る問題はウエハー価格がSiの数10倍と高価なことだ。現在は米Cree, Inc.がSiCウエハー供給をほぼ独占しており，低価格化のメドは立っていない。HOYAや新日鉄マテリアルズなどがSiCウエハーの供給を始めたところであり，ロームの自社開発に成功したようである。今後の低価格化に期待が集まっている。いくつかの半導体メーカーは数年後にSiCパワーMOS FETの量産開始を検討しており，これらのメーカーは2015年ごろにはSiCウエハーの価格がSiウエハーの数倍にまで下がってくると予測している。