シリコンの限界とワイドギャップ半導体

シリコンのパワー半導体が、材料の性質によって限界を持つ理由と、それを超えるワイドギャップ半導体の考え方を説明する。バンドギャップと耐えられる電界の関係、薄い層で同じ耐圧を得る利点、高い温度や速い切り替えへの強さ、材料を比べる観点を扱う。

シリコンの強みと限界

パワー半導体は、長いあいだ、シリコンで作られてきた。シリコンは、安く、大きなウェーハを作りやすく、製造の技術も成熟している。性能も、多くの用途で十分である。

ただし、前のページで学んだとおり、耐圧と入のときの抵抗は、引っ張り合いの関係にある。この関係は、材料の性質で決まる。シリコンでは、耐圧を高くするほど、抵抗が急に増える。また、温度が高くなると、シリコンは、半導体としての性質を保ちにくくなる。高い電圧、大きな電流、高い温度、速い切り替えへの要求が高まるにつれて、シリコンの限界が目立ってきた。

バンドギャップと、強い電界

基礎の分野で学んだバンドギャップは、電子が動けるようになるために必要なエネルギーの大きさである。バンドギャップが広い半導体を、ワイドギャップ半導体と呼ぶ。炭化ケイ素や窒化ガリウムが、その代表である。シリコンに比べて、バンドギャップがはるかに広い。

バンドギャップが広いと、電子を動けるようにするのに、大きなエネルギーが要る。強い電界で加速された電子が、ほかの電子をはじき出すには、それだけ大きなエネルギーが必要になる。そのため、なだれ降伏が起きにくく、強い電界に耐えられる。シリコンの何倍もの電界に耐えられる。

薄い層で、同じ耐圧を得る

前のページでは、耐圧を高くするため、不純物が少ない層を厚くした。強い電界に耐えられる材料なら、同じ耐圧を、より薄い層で得られる。

さらに、層が薄ければ、不純物を多く入れても、耐圧を保てる。不純物が多く、層が薄いので、入のときの抵抗が、大きく下がる。同じ耐圧で比べると、ワイドギャップ半導体の抵抗は、シリコンよりはるかに小さくできる。

損失が小さく、熱も少ない

抵抗が小さいと、入のときの損失が小さい。また、薄い層は、電気を運ぶ粒が通る時間が短いので、速く切り替えられる。切り替えの損失も小さくなる。

損失が小さいと、熱の出方が少ない。冷やすための部品を小さくでき、機器全体を小さく軽くできる。切り替えを速くできれば、電気をならすコイルやコンデンサも小さくできる（「電力を変換する回路」のページ）。これが、ワイドギャップ半導体が注目される理由である。

高い温度に強い

バンドギャップが広いと、熱のエネルギーだけでは、電子が勝手に動き出しにくい。そのため、高い温度でも、半導体としての性質を保ちやすい。高い温度の環境で使いやすく、冷却を簡単にできる可能性がある。ただし、実際には、パッケージや周辺の部品の耐熱性も考える必要がある。

材料を比べる観点

材料を比べるときは、いくつかの観点がある。耐えられる電界の強さ、熱の伝わりやすさ、電子が動く速さ、結晶の作りやすさ、費用である。

炭化ケイ素は、強い電界に耐え、熱をよく伝える。窒化ガリウムは、強い電界に耐え、電子が非常に速く動く。シリコンは、費用と、結晶の作りやすさで優れる。どの材料も、すべてで優れるわけではない。用途に応じて選ばれる。

使うときの注意

ワイドギャップ半導体には、弱点もある。結晶を作るのが難しく、ウェーハの費用が高い。長く使ったときの信頼性は、シリコンほど実績が積み上がっていない面があり、確かめる試験も重要になる。

また、とても速く切り替えられるため、電圧や電流の変化が急になり、ノイズが出やすい。配線のわずかな性質でも、電圧が跳ね上がることがある。ワイドギャップ半導体の力を引き出すには、部品だけでなく、配線やパッケージ、ゲートを動かす回路の設計も、合わせて見直す必要がある。

このページのまとめ