スマホの充電器が、昔より小さくなったと感じたことはありませんか。新しい充電器は、小さくて軽いのに、素早く充電できるものが増えています。その理由のひとつは、充電器の中の半導体の材料にあります。
電気の流れを調整する半導体は「パワー半導体」と呼ばれ、長いあいだ、シリコンで作られてきました。いま、そこに、「シリコンカーバイド（SiC）」と「窒化ガリウム（GaN）」という新しい材料が加わっています。この記事では、その違いと理由を、順に説明します。
充電器が小さくなった理由は、ほかにもあります。この記事は、そのうち、半導体の材料に関係する部分だけを取り上げます。
この記事でわかること
- この記事の目的：シリコンカーバイドと窒化ガリウムが、なぜパワー半導体に使われるのかを、つかむこと
- 前半：パワー半導体の役割と、電力損失、シリコンの限界
- 後半：バンドギャップと絶縁破壊電界、シリコンカーバイドと窒化ガリウムの特長
- 新しい充電器は、小さい
- 古い充電器は、大きい
- 材料の違いが、関わっている
博士、充電器が小さくなったのは、半導体の材料が関係しているんですか？
そうじゃ。電気の流れを調整する半導体の材料が、シリコンから、新しいものに変わりはじめたんじゃ。
新しい材料だと、何がよいんですか？
熱になって失われる電気が減って、部品も小さくできるんじゃ。順に、見ていこう。
充電器が小さくなった理由は、半導体の材料
STマイクロエレクトロニクスの解説では、窒化ガリウムを使った半導体は、スマホやパソコンの充電器や電源アダプターに向いている、と紹介されています。変換効率が上がり、小型になり、同じ大きさで扱える電力が大きくなる、というのが理由です。充電器の小型化には、半導体の材料が関わっています。
確認クイズ：充電器の小型化に関わっているのは、半導体の何でしょう？
答え：半導体の材料です。窒化ガリウムなどの新しい材料が使われはじめています。
電気の流れを調整する「パワー半導体」
パワー半導体は、電気の流れを、うまく調整する半導体です。京都大学の用語解説では、半導体を使って電力を都合のよい形にして、自由に制御する技術が「パワーエレクトロニクス」と説明されています。家庭用の電気製品から、産業、鉄道、電力のシステムまで、幅広く使われています。たとえば、スマホの充電器、電車、電気自動車を充電する設備などです。
確認クイズ：パワー半導体は、何をする半導体でしょう？
答え：電気の流れを、うまく調整する半導体です。
調整のたびに、一部の電気が熱になる「電力損失」
ところが、電気の流れを調整するたびに、一部の電気が、熱になって失われてしまいます。これが「電力損失」です。EE Times Japanの記事では、出力電流が大きくなるほど損失が増えるため、それを抑える方法として、損失の少ない材料に変えることが期待されている、と説明されています。損失が多いと、電池が早く減るうえ、熱を逃がす工夫も、たくさん必要になります。
- 電気の流れを、調整する
- 一部が、熱になって失われる
- これが、電力損失
確認クイズ：電力損失で、失われた電気は、何になるでしょう？
答え：熱になります。
シリコンの限界と、新しい材料
パワー半導体には、これまで、主にシリコンが使われてきました。東芝の解説では、シリコンのMOSFET（電気のスイッチ）は、1000ボルトほどまでしか製品になっていないのに対し、シリコンカーバイドのMOSFETは、3300ボルトほどまで製品になっています。強い電圧に耐えようとすると、電気が通るときの抵抗が大きくなりやすいのです。EE Times Japanの記事（2019年）では、シリコンカーバイドのパワーデバイスは、すでに、家電用、産業用、自動車用、鉄道用、電力用で、実用化が進んでいる、と説明されています。
そこで、シリコンよりもバンドギャップの広い、「ワイドギャップ」と呼ばれる材料が使われはじめました。EE Times Japanの記事では、その代表として、シリコンカーバイド（SiC）と窒化ガリウム（GaN）が挙げられています。半導体は、ウェハと呼ばれる、薄くて丸い板から作られます。そのウェハの材料を、シリコンから、これらの新しい材料に変える、ということです。
- 新しい材料の、ウェハ
- シリコンカーバイドと、窒化ガリウム
- どちらも、バンドギャップが広い
確認クイズ：シリコンのかわりに使われはじめた、2つの材料は何でしょう？
答え：シリコンカーバイド（SiC）と、窒化ガリウム（GaN）です。
バンドギャップと「絶縁破壊電界」
バンドギャップは、電子が動けるようになるために越える必要がある、エネルギーの幅のことです。東芝の解説では、シリコンカーバイドは、バンドギャップが大きく、原子どうしの結びつきも強いため、強い電圧がかかっても壊れにくい、と説明されています。この壊れにくさを「絶縁破壊電界」といいます。京都大学の用語解説では、シリコンカーバイドは、バンドギャップがシリコンの約3倍、絶縁破壊電界が約10倍、熱伝導率が約3倍とされています。
原子どうしが強く結びついている材料ほど、電子は固く押さえられていて、動き出すのに大きなエネルギーが必要です。電子が動きにくいので、強い電圧がかかっても、壊れにくくなります。
- 壁が高いと、電子は動きにくい
- 強い電圧がかかっても、壊れにくい
- それが、絶縁破壊電界
確認クイズ：バンドギャップが広い材料は、強い電圧に強いでしょうか、弱いでしょうか？
答え：強いです。電子が動きにくいので、壊れにくくなります。
薄い層で損失を減らす、シリコンカーバイド
EE Times Japanの記事によると、ワイドギャップ半導体は、絶縁破壊電界がシリコンの10倍前後と高いため、電圧に耐えるための層を、約10分の1に薄くできます。層が薄いと、電気が通るときの抵抗が小さくなり、損失が減ります。強い電圧に耐えられるから、層を薄くでき、損失も減らせるのです。
- 耐える層を、約10分の1にできる
- 層が薄いと、抵抗が小さい
- 損失が、減る
東芝の解説によると、シリコンカーバイドのMOSFETは、電子だけで動くため、スイッチを切るときの損失が小さくなります。高い周波数でも動かせるので、トランスなどの部品を小さくする効果もあります。また、高い温度にも強く、EE Times Japanによると、シリコンの上限は、125〜150℃ほどですが、ワイドギャップ半導体では、175〜200℃が当面の目標です。電車のモーターを動かす装置に使った例では、損失が減り、大きさと重さも小さくなりました。
確認クイズ：絶縁破壊電界が高いと、電圧に耐えるための層は、どうなるでしょう？
答え：約10分の1に薄くできます。そのぶん、抵抗が小さくなり、損失が減ります。
速く切り替える、窒化ガリウム
窒化ガリウムは、バンドギャップが3.4電子ボルトと広く、電子がきわめて動きやすい材料です。STマイクロエレクトロニクスの解説では、そのため、抵抗が低く、スイッチを切り替える速さ（スイッチング周波数）も高い、と説明されています。切り替えが速いと、トランスなどの部品を、小さくできます。
同じ解説では、窒化ガリウムは、より低い電圧と小さな電力で、きわめて速い切り替えが必要な用途に最適とされ、電源アダプターや、電気自動車の車載充電器などの例が挙げられています。つまり、強い電圧や大きな電力にはシリコンカーバイド、小さくて速い電源には窒化ガリウム、と使い分けられています。
- 強い電圧には、シリコンカーバイド
- 小さくて速い電源には、窒化ガリウム
- 材料で、使い分ける
確認クイズ：充電器のような、小さくて速い電源に向いているのは、どちらでしょう？ ①シリコンカーバイド ②窒化ガリウム
答え：②の、窒化ガリウムです。
製造の全体像は、半導体の製造工程の全体像で紹介しています。なお、設備の調整や復旧は、所属する工場やメーカーの正式な手順と、権限のある人の判断のもとで行います。この記事は、考え方の紹介で、設備の操作を指示するものではありません。
ことばのおさらい
- パワー半導体：電気の流れを、うまく調整する半導体です。
- 電力損失：調整のたびに、一部の電気が、熱になって失われることです。
- バンドギャップ：電子が動けるようになるために、越える必要があるエネルギーの幅です。
- 絶縁破壊電界：強い電圧がかかっても、壊れにくい強さです。
- シリコンカーバイド（SiC）：シリコンと炭素でできた、バンドギャップの広い材料です。
- 窒化ガリウム（GaN）：ガリウムと窒素でできた、バンドギャップの広い材料です。
よくある誤解
Q. シリコンカーバイドと窒化ガリウムは、同じ材料ですか？
いいえ。シリコンカーバイドは、シリコンと炭素の化合物で、窒化ガリウムは、ガリウムと窒素の化合物です。どちらもバンドギャップは広いですが、得意な用途が違います。
Q. バンドギャップは、広いほど、何でもよくなりますか？
いいえ。たとえば、ワイドギャップ半導体を、250〜300℃で動かす案も検討されましたが、損失の増大や、周辺の部品の対応といった課題があり、実用化は進んでいません。広ければ何でもよい、というわけではありません。
まとめ
パワー半導体は、電気の流れを調整しますが、そのたびに、一部の電気が熱になって失われます。
バンドギャップが広いシリコンカーバイドと窒化ガリウムは、強い電圧に耐えられるため、層を薄くでき、損失を減らせます。
強い電圧や大きな電力にはシリコンカーバイド、小さくて速い電源には窒化ガリウムが、使い分けられています。
参考にした公式情報
- 東芝デバイス＆ストレージ「SiCはどのような材料ですか？ また、SiC MOSFETはどのような特徴を持っていますか？」
- 京都大学「世界最高性能の大容量SiCトレンチMOSFETを実現」（用語解説）
- EE Times Japan 福田昭「SiCパワーデバイスがモビリティの電動化を加速」（2019年）
- EE Times Japan 福田昭「車載パワーデバイスの出力密度向上手法」（2024年）
- STマイクロエレクトロニクス「GaN（窒化ガリウム）」
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