１．はじめに

　現在，日本の一次エネルギー消費のうち電気エネルギーの発生に使われる割合（電力化率）は既に，40％を超えており，益々増加する傾向にある。風力や太陽光などの再生可能エネルギーの導入や燃料電池，マイクロガスタービンなどの分散電源の活用は不可欠と考えられている。それらの効率のよい使い方，電力系統・配電系との調和のとれた連係には電力損失が少なく使い勝手がよく，コスト的にも負担の少ないパワーエレクトロニクスが必要である。輸送面においても，環境によく効率のよいハイブリッド自動車や燃料電池自動車に期待が集まっている。近海船舶の電気化開発も進められているほか，爆発的に増大するインターネットなどの情報のやりとりには，インフラとしてのサーバシステムや各種通信基地局の更なる効率と信頼性の向上が求められている。これらにおいても直流‐交流（DC-AC），直流‐直流（DC-DC）の電力変換器をはじめとする各種パワーエレクトロニクスの一層の高性能化が求められている。それらのキーとなるパワーデバイスは，現在はシリコン（Si）デバイスであるが，その性能は飽和の傾向にある。シリコンの物性値からくる限界を乗り越える性能の半導体として，炭化珪素（シリコンカーバイド：SiC）や窒化物半導体（ガリウムナイトライド：GaN）などのワイドバンドギャップ半導体が注目を集めている。材料開発からデバイス研究開発へと進み，パワーエレクトロニクスへの適応を望むところまで開発が進んできた。そうした革新的パワーエレクトロニクスの活躍する高速情報ネットワークに適時・適宜に呼応する電力エネルギーネットワークの姿を図１に示す。

図１　エネルギーネットワークの未来図
（図をクリックすると拡大します）

２．ワイドバンドギャップ半導体の物性とパワーエレクトロニクス

（１）材料特性に見るシリコンカーバイド（SiC）の優れた特徴

　SiC，GaNの物性値をSiと比較して表１に示す。

表１　シリコンカーバイドの材料特性

もっとも重要なパラメターは絶縁破壊電界でSi の８〜10倍であり，その電界を支えるチャージの最大密度は100倍にも達する。そのためもしも両者で3.3 kV耐圧の金属酸化膜半導体（Metal Oxide Semiconductor：MOS）デバイスを作ると，図２に示すようにSiCでは通電時に発生するオン電圧（小さい程電力損失が小さい）が現在型（Si）の約200分の１となる，低損失デバイスになる。

図２　仮想的Si-MOSと理想的Si-MOSFETの損失の比較

ワイドギャップであることから，高温まで半導体のドーピング制御が可能となるので，シリコンの限界を破る150℃以上，原理的には500℃程度までデバイスが動作する高温デバイスでもある。熱伝導度が大きいことも高パワーでデバイスを動作させた時に発生する熱の拡散に有利で，高温動作と相俟ってデバイスサイズを小さくできるので，チップコストの低減が可能となる。3.3kVのパワーデバイスは，Siデバイスでは，キャリアが電子だけであるユニポーラデバイスのMOSパワーデバイスではなく，絶縁ゲートバイポーラデバイストランジスタ（IGBT）という電子とホールの両方をキャリアとするバイポーラデバイスが使用される。IGBTでは損失は低減できるが，キャリアが２種類あるためユニポーラデバイスに比べ高速（高周波）動作が約１桁悪くなる。

（２）拡大が期待されるSiCの適用範囲

　インバータで代表されるパワー変換器に求められる特性は，電力変換損失が小さく（高効率），小型（低コスト）で使いやすい（壊れにくい）ことである。SiC，GaNパワーデバイスは，低損失であり，高周波動作による受動部品（コンデンサやコイル）の小型化により，変換器全体を小型化できる。デバイスの破壊モードには色々あるが，Siデバイスでは，なんらかの理由でデバイスの中で電流集中が起こり，局所発熱・融解することもその代表的原因である。SiCは，2,000℃以上でも溶けず，熱伝導度よく熱拡散が早いので破壊に対して強く，変換器として堅牢で信頼性が高くなることが期待できる。高周波化により，信頼性に問題のある容量の大きな電解コンデンサを追放できれば，変換器のメンテナンスのコストを大きく下げることができる。こうした色々な特長から，各種パワーエレクトロニクスに使われているSiパワーデバイスの耐圧・容量の適用範囲に対し，SiCパワーデバイスの予想適用範囲を重ねて，図３に示す。

図３　SiCがSiに取って変わることにより拡大する現在のパワーデバイスの適用範囲
（図をクリックすると拡大します）

SiCユニポーラデバイスの適用領域が矢印で示したように拡大し，広い範囲での使用が期待される。

３．開発状況と課題

（１）SiCパワーデバイス

1) 開発の現状

　SiCのパワーデバイスの研究開発は，90年代に入って米国クリー社（Cree）から直径30mmの基板が市販されるようになってから急激に立ち上がった。ショットキーバリアダイオードがシーケッド（ドイツ，シーメンスとインフィニオンの出資小会社：SiCED）社やクリー社から市販されている。同等の耐圧・電流値のSi-PNダイオード比べ，スイッチング時における逆回復電流が圧倒的に少なく（図４），スイッチング損失とノイズを押さえられるので，値段が高いが使われはじめている。

図４　Siと比較し，SiCが優れていることを示すダイオードの逆回復特性（リカバリー波形）

一方パワーデバイスの本命であるスイッチングデバイスの開発には時間がかかっている。結晶基板をはじめいくつかの課題を抱えている。

2) SiCの製造法

　SiCは大気圧下では溶融しないので，基板作製は，Siの融液からの成長とは異なるSiCの昇華ガスを原料とする気相単結晶成長法で行う。そのため成長速度が小さく，種々の結晶欠陥を発生するなどの問題がある。それでもクリー社がリードして，市販ウエハサイズも２インチから3インチになり，４インチ市販も期待されるまでになった。ミクロンオーダーのマイクロパイプという貫通細孔欠陥はほぼ無くなった。10の4乗（cm^-3）オーダの結晶転位の低減が次の課題になっている。特に，PNダイオードの通電時に一定電流での順方向電圧が増加するというダイオード特性の劣化が大きな問題となった。これはバイポーラデバイスにおけるキャリア消滅（再結合）過程におけるエネルギー放出により，転位（基底面転位）が増殖するためであることが判明し，その転位低減の種々の工夫がなされている。最近，結晶成長方位の組み合わせを工夫し，結晶転位を２桁下げる成長法（RAF法）が提案され，転位低減についても明るい見通しがある。

3) SiCとSiの製造上の相違

　SiCはSiとCの化合物半導体であるので，Siデバイス技術をほぼ追従することができる利点がある。しかしながら化学結合が強く，不純物の熱拡散ができず，ドーピングには高温イオン注入（500℃以上）と超高温アニーリング（1,700℃以上）が必要であるなど，装置開発を含む独自な研究開発が必要となっている。
　もっとも汎用性の高いパワーデバイスであるMOSデバイスでは，電流のオン−オフを制御するゲートチャネルの抵抗値を下げる（キャリヤ移動度を上げる）ことが難しく，低いオン抵抗のデバイスがなかなか作製できなかったが，酸化プロセスや結晶面の選択などによってSiの物性値限界を超え，さらにSi-IGBTのオン抵抗を超える低損失パワーデバイスが報告されるようになった。

4) 残された製造上の課題

　残された問題は，現在10A程度の電流容量の向上と，実用に足る酸化膜の信頼性の確証である。高温でも酸化膜の信頼性を心配しなくてよい接合型電界効果トランジスタ（JFET）では，少量ながら市販が始まっている。オン抵抗を低くするとゲート電圧をかけないとオフにならないノーマリーオフ型になる。そのため低耐圧のスイッチデバイスと組み合わせ，ノーマリーオフにするカスコード型複合スイッチ素子も開発されている。高温動作スイッチ素子としての応用が期待される。また，超高耐圧用（５kV以上）大容量デバイスとしては，オン電圧の低いバイポーラーデバイスGTO（Gate Turn-Off thyristor）などが試作され，電力用としての展開が期待される。

（２）GaN系パワーデバイス

1) 開発の現状

　GaN系デバイスは，発光ダイオード（LED）などの青色発光デバイスの実用化についで，パワーデバイスとしても有望視されている。ウエハの作製法は，サファイアやSi基板上への単結晶薄膜成長（ヘテロエピタキシャル成長）が主流である。種々の技術開発が進められ，４インチ異種基板が報告されるまでに来ているが，ヘテロ成長に起因する転位欠陥は，SiCに比べ3桁以上大きい。２インチサイズでは，高速成長速度を持つハライド気相成長（HVPE）により厚膜を形成・剥離するバルク結晶基板作製法が考案され，転位の低減が図られ実用化が期待されている。

2) GaN系の特徴

　GaN系デバイスは，GaN と窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）とのヘテロ界面にできるピエゾ分極誘起２次元電子ガスを用いた横型のいわゆるHEMT（高電子移動度トランジスタ）である。高周波パワーデバイスとして，ガリウム砒素（GaAs）デバイスをしのぐ高出力デバイスを実現している。この特性は，高速スイッチングデバイスとしても魅力的であり，開発が進められている。SiCをしのぐ低オン抵抗の報告もある。デバイスのオン動作により逐次，電流が減少する電流コラプスやショットキーゲートの漏れ電流などの課題もあり，それぞれパッシベーション，高絶縁ゲート構造などの対策がとられ，ほぼ解決されている。ノーマリーオフ化にも種々の検討がなされている。

４．実用化へのシナリオ

（１）用途により実用化直前まできた新規半導体

　２，３項ではやや専門的な事項について述べた。要約すれば，新規半導体をデバイスとして実用化するまでには，材料（ウエハ），プロセス，デバイス技術において様々な課題がある。材料技術開発の成果を元にプロセス・デバイス開発を進めることができるが，その開発の進展に従い，以前には見えなかった材料技術の一層の進展の必要性が見えてくる。そして，材料が改善されると今度はプロセス・デバイス技術の進展の必要性が明らかになる，いわば螺旋を描きながら技術の進展を見てきた。SiCはその開発のラセンを一段上がった段階にあるといってよい。ショットキーバリアダイオード（SBD）の実用化を踏まえ，パワーエレクトロニクスに使えるSiパワーデバイスの性能を越えるスイッチングデバイスの実用化を視野にいれるところまできた。GaN系デバイスは，高周波デバイスの開発に成功し，パワーデバイスとしての活躍の場を求めている段階にあるといえる。

（２）実用化の鍵

　実用化のキーは，SiCやGaNデバイスの活用により，システムとしてのメリットが引き出せるかにかかっている。SBDがすでに市場に入っていることは述べた。値段が下がり，品揃えが増えることで市場はさらに拡大する。SiCのSiに比べパワーデバイスの性能として優れた点を図５左に，またシステム応用によって求められるパワーデバイスの特徴的な性質を図５右に示す。

図５　パワーデバイスに求められるSiとSiCの性能比較他
（図をクリックすると拡大します）

しかしながら，低損失はすべての応用で求められる性能だが，その他の性能はシステムによって異なる。高い信頼性が必要な輸送・電力応用では，高い破壊耐量はキーとなる。家電機器や分散電源のパワーエレクトロニクスでは，高周波化による小型・低コスト化が必要だ。ハイブリッド電気自動車（HEV）や電気自動車（EV）では，高信頼・低コストに加え，冷却系が簡単になる高温動作が強く期待されている。

（３）高性能化との関係が深いチップ実装技術

　デバイスの性能をとことん発揮させるためには，それを可能とするチップ実装技術の開発の必要性が見えてきている。例えば，チップ面積を小さくすることは，コスト低減と高周波化に有利だが，一層のデバイスの低損失化とともに小さなチップでの新たなる放熱技術，配線技術の開発を必要とする。高周波化すれば，回路の微小な浮遊容量，浮遊インダクタンスの影響が大きくなりその抑制技術が重要になる。200℃を超す実装技術とその信頼性は未知な技術領域である。電力変換器の変換効率が90％を超え，頭打ちにある現在，変換器の高パワー密度化が重要な開発の指標と指摘されている（図６）。

図６　製品化された電力変換器のパワー密度の年次展開

デバイスの高性能化とともに，これらの高パワー密度を実現するパワーエレクトロニクスへの統合化技術開発は極めて重要になってきている。
　GaN系パワーデバイスは，横型デバイスであるため，縦型に比べ，集積化が容易であること，ウエハの電気抵抗の影響を受けないなどの利点がある。逆に表面での絶縁破壊の防止，大電流の取り出しなどに新たな技術開発が必要である。数百Ｖ以下の耐圧での超低オン抵抗を活用した応用（例えばACアダプタなど）への期待が持たれる。

５．「パワーエレクトロニクスインバータ基盤技術開発」の目指すもの

　国家プロジェクト「超低損失電力素子基盤技術開発」（平成10年度〜14年度）により，日本におけるSiCパワーデバイスの開発の基盤技術が構築された。その後，各機関・企業が提案公募型の新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）課題でデバイス開発を進展させた。
　世界の開発動向に合わせて，SiCパワーデバイスのパワーエレクトロニクスへの適用を展望するNEDOプロジェクト「パワーエレクトロニクスインバータ基盤技術開発」が平成18年度からスタートした。三菱電機は，自社開発のMOSデバイスを用いて14kVAのSiCインバータを試作し，Siインバータに比べ損失を70％低減できることを実証する。(独)産業技術総合研究所（産総研）は（財）新機能素子研究開発協会（FED）と共同で民間企業（６社）と大学・研究機関の参画を得て，MOSデバイスを主体としたSiCパワーデバイスの信頼性と大容量化の可能性を明確化する研究に取り組む。パワーデバイスの大容量化には，デバイスの性能を劣化させる結晶欠陥の同定と低減が不可欠である（図7）。

図７　デバイス性能を阻害するキラー欠陥密度（cm^-2)の減少トレンド予想と実現できる変換容量

信頼性についても同様な観点から取り組む。低オン抵抗化が進められているMOSパワーデバイスを活用することによって，開発してきたパワーエレクトロニクス統合化技術を駆使して，SiCパワーデバイスによる高パワー密度化の可能性（50Ｗ/cm³）を明確化する。
　いずれにしても，高品質なウエハ開発がキーとなる。ウエハ製造会社との密接な連携は欠かせないので，プロジェクト全体として，FEDを軸としたウエハ管理・評価体制を構築してこれにあたる。SiCでは，バルク単結晶基板上へのホモエピタキシャル薄膜成長によって，ドーピングを制御した膜を形成することによって初めてデバイスをつくることができる。また，このエピ技術で結晶内の転位種の変換などウエハ品質の改良が可能である。産総研と電中研は昭和電工と共同で，これまでに研究開発したエピ技術を実用機に適用できるようにする共同研究を進め，ベンチャーの一形体であるLLP（有限責任事業組合）をつくり，プロジェクト推進への寄与を図る。このプロジェクトによりSiCインバータの性能実証と大きな可能性の提示がされ，一気に実用化へと加速されるものと期待している。

６．おわりに

　世界のSiCのプレーヤーを図８に示す。

図８　世界のSiC研究開発機関
（図をクリックすると拡大します）

ウエハ，デバイスとも多くの企業・機関が参画しているが，クリー社が飛び抜けている。STマイクロエレクトロニクスなど後続の参入もある。SiCウエハのセカンドベンダーと期待した米国イントリンシック・セミコンダクター（Intrinsic）社は最近，クリー社に買収されるなどこの分野の動きは早い。米国でのSiC研究開発の１つの大きな流れは，戦車や潜水艦などへの軍事応用を目指したアメリカ国防総省（DOD）の一貫した支援である。こうしたハイエンドを目指した研究開発に対し，日本は常にコストを念頭にした産業応用を目指す研究開発であり，研究者人口も少なく，対抗する上で，産官学の連携が鍵となるように思える。第４章で触れたようにパワーエレクトロニクスは統合化技術であり，それを目指して，世界には幾つかの特徴あるセンターが活動している。当センターは，米国のバージニア工科大学を中心とした米国科学財団（NSF）支援のCPES（Center for Power Electronics System）及びシーメンスを中心とした欧州連合（EU）のECPE（European Center for Power Electronics）と共同でワークショップを持ち，情報交換やパワーエレクトロニクスのロードマップの議論を開始している。国際的に人材を育成することも視野に入れている。
　パワーエレクトロニクスは経済産業省資源エネルギー庁による「省エネルギー技術戦略」（平成18年９月）において，省エネルギーを達成する重要な共通基盤技術として位置づけられ，なかんずくSiCデバイスの実用化への期待が述べられている。
　図９にSiCパワーデバイスの導入によるわが国における省エネルギーの見積もりを示す。

図９　SiCパワーデバイスの普及による国内での省エネ効果の予想
（図をクリックすると拡大します）

現在のSiデバイスの代替効果だけでなく，SiCデバイスの実用化により，コストパフォーマンスの高いパワーエレクトロニクスが実現され，これまで普及していなかったシステム分野までインバータなどの導入・加速が進むものと期待している。