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 大電流・高耐圧で動作させられることから、パワー半導体での今後の主役と目されるSiC。既に、電気自動車(EV)や鉄道、太陽光発電用のインバーターなどでの普及が進みつつある。このSiCを脅かすかもしれない存在が台頭してきた。酸化ガリウム(Ga2O3)だ(図1)。

図1 酸化ガリウムの開発状況とパワー半導体の市場
図1 酸化ガリウムの開発状況とパワー半導体の市場
2010年ごろから研究が始まった酸化ガリウムは今日まで急激な成長を遂げてきた。今、社会実装の段階へ進もうとしている。民生用電源などで市場に普及させた後、2030年ごろには車載市場へ参入が検討されている(図:日経クロステックが作成)
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 酸化ガリウムを使ったパワー半導体デバイスは、SiCの次を狙う「ウルトラワイドバンドギャップ(UWBG)半導体」中でも、産業化が最も早く進んでいる。2010年ごろから酸化ガリウムのパワー半導体応用の研究が本格化した後、2022年には、ショットキーバリアダイオード(SBD)の量産化が予定されている。2023年には、このSBDが搭載された空調装置が市場投入される見込みである。民生電源用途のPFC(力率改善)回路での引き合いが強いという。

 酸化ガリウムのデバイスを採用することで、「SiCと比較して(同じ条件で利用した場合)電力損失が約3分の1、値段も今後の技術開発が必要だが、チップレベルで約2分の1から3分の1にできる可能性がある」とβ酸化ガリウムのパワー半導体基板やデバイスを開発するノベルクリスタルテクノロジー(埼玉県狭山市) 社長の倉又朗人氏は言う。現在信頼性検証などは途上にあるが、「こうした点も含めて、(本格的な)実用化に向けた基礎研究は後2年で終わる」(倉又氏)と言う。

 さらに、2030年には、SiCの本丸ともいえるEVのモーター駆動インバーターとして搭載が進む可能性が高い。「従来はクルマへの採用は検討開始から5年はかかったが、最近は(新技術採用の競争激化から)新しいデバイスの採用のスピードが速まっている。特に、新規参入の企業はどんどん取り入れていくだろう」とα酸化ガリウムのパワー半導体基板やデバイスを開発するFLOSFIA(フロスフィア、京都市) 社長の人羅俊実氏は言う。

研究から実装まで滞りなく進歩

 酸化ガリウムが、このように市場で積極的に受け入れられつつあるのは、大きく4つの特長があるためだ。まず第1に、先に述べたように、実用に向けて基礎研究・デバイス開発・実装というステップが、2010年ごろから現在まで、滞ることなく着実に進んでおり、量産に向けてあまり不安がないことだ。

 第2がパワー半導体デバイスの材料としてSiCよりも優れること。パワーデバイス向けの酸化ガリウムには、その結晶構造の違いによってαとβがあるが、いずれもパワーデバイスの性能を示す指標「バリガ性能特性注1)」でSiCをしのぐ。具体的には、α酸化ガリウムの場合はシリコン(Si)に比べて約6000倍、β酸化ガリウムの場合は約3000倍。SiCと比べても数倍以上の性能がある(表1)。つまり、SiCより大きな電流・電圧が扱えるのだ。同じ電圧で動作させた場合のオン抵抗は、β酸化ガリウムの場合、SiCの10分の1にとどまる(図2)。

注1)バリガ性能指数:半導体の物性値(誘電率、電子移動度、および絶縁破壊電界)で決まる指標。数値が大きいほどパワーデバイスに向いた材料である。
表1 半導体材料の特性値比較
表1 半導体材料の特性値比較
酸化ガリウムはバンドギャップエネルギーが大きいため、耐圧特性に優れている。パワーデバイスの性能を示すバリガ性能指数ではSiCより数倍高く省エネ効果が期待される(表:フロスフィア、ノベルクリスタルテクノロジーの資料を基に日経クロステックが作成)
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図2 オン抵抗と耐圧の関係
図2 オン抵抗と耐圧の関係
高耐圧にすれば抵抗が上がってしまいエネルギー損失が発生する。酸化ガリウムはパワー半導体材料としての特性は優れており、より省エネ効果が得られる(図:日経クロステックが作成)
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