炭化ケイ素と窒化ガリウム：結晶、素子、作る難しさ

ワイドギャップ半導体の代表である炭化ケイ素と窒化ガリウムを、それぞれ説明する。炭化ケイ素の結晶の育て方と縦型の素子、窒化ガリウムの基板の種類と横型の素子、酸化膜や欠陥などの課題、二つの材料の使い分けを扱う。

二つの材料の違い

前のページでは、ワイドギャップ半導体に共通する利点を学んだ。このページでは、代表的な二つの材料、炭化ケイ素と窒化ガリウムを、一つずつ見ていく。結晶の作り方も、素子の形も、課題も、二つで大きく違う。

炭化ケイ素の結晶

炭化ケイ素は、シリコンと炭素の化合物である。結晶を作るには、高い温度で原料を気体にし、種になる結晶の上に、固めていく方法が、よく使われる。シリコンのように、融けた液体から引き上げる方法とは、大きく違う。非常に高い温度が要り、結晶が育つのが遅い。

また、炭化ケイ素は、同じ原子の組み合わせでも、層の積み重なり方が違う結晶の種類がある。パワー半導体には、そのうち、特定の積み重なり方の結晶が使われる。目的以外の積み重なり方が混ざると、欠陥になる。

炭化ケイ素の素子

炭化ケイ素のパワー半導体は、シリコンと同じく、電気を縦に流す形が中心である。基板のウェーハの上に、不純物の少ない層を、エピタキシャル成長で育て、その上に素子を作る。ダイオード（ショットキーバリアダイオード）と、MOSFETが、広く使われる。

素子を作る工程にも、特徴がある。不純物を打ち込んだあとの熱処理に、非常に高い温度が要る。また、MOSFETでは、ゲートの絶縁膜と結晶の境目に、欠陥が生じやすい。この欠陥が、電気の流れやすさや、動作の安定に影響するため、境目を良くする工夫が、重要な課題になっている。

窒化ガリウムの基板

窒化ガリウムは、ガリウムと窒素の化合物である。結晶を大きく作ることが難しく、基板になる窒化ガリウムのウェーハは、小さく、高価になりやすい。そのため、多くの素子は、別の材料の基板の上に、窒化ガリウムの層を、エピタキシャル成長で重ねて作る。

基板には、シリコンや炭化ケイ素などが使われる。シリコンの基板を使えば、大きなウェーハが安く使え、既存の工場の設備も使いやすい。ただし、基板と窒化ガリウムは、結晶の並びや、熱による伸び縮みが違うので、欠陥や反りが生じやすい。それを抑える層を、間に入れる工夫がされる。

窒化ガリウムの素子

窒化ガリウムのトランジスタは、電気を、チップの表面に沿って横に流す形が中心である。窒化ガリウムの層と、別の材料の層の境目には、電子が非常に速く動ける薄い層ができる。この性質を使ったトランジスタを、高電子移動度トランジスタ（HEMT）と呼ぶ。

横に流す形では、切り替えがとても速く、小さな電源に向く。一方で、そのままでは、ゲートに電圧をかけなくても電気が流れてしまう性質になりやすい。安全のためには、電圧をかけたときだけ流れる形が望ましいので、そうなる構造の工夫がされる。

使い分けの考え方

炭化ケイ素は、高い電圧と大きな電流の用途に向く。電気自動車のインバーターや、鉄道、電力の設備などである。窒化ガリウムは、速い切り替えと、小さな電源に向く。充電器や、データセンターの電源などである。

どちらも、結晶の欠陥を減らし、大きなウェーハで安く作ることが、課題である。費用が下がるほど、シリコンから置き換わる範囲が広がる。

ウェーハの大きさと費用

どちらの材料でも、費用を下げるには、ウェーハを大きくすることが重要である。ウェーハが大きいほど、一枚から取れるチップが増える。炭化ケイ素のウェーハを大きくする開発が進められているが、大きな結晶を欠陥少なく育てるのは難しい。窒化ガリウムでは、大きなシリコンの基板を使うことで、この問題を避けている。

信頼性と品質

パワー半導体は、長い期間、高い電圧と大きな電流で使われる。炭化ケイ素では、基板やエピタキシャル層に欠陥があると、電気を流したときに、その欠陥が広がって特性が変わることがある。そのため、結晶の欠陥を減らし、出荷前に検査して、問題のあるチップを除くことが重要になる。ゲートの酸化膜の寿命も、長期の試験で確かめる。

このページのまとめ