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インフィニオンはSiCだけではなくGaNにも力を注ぐ。写真はGaNパワー素子を搭載した電源回路。2023年10月撮影（写真：日経クロステック）
インフィニオンはSiCだけではなくGaNにも力を注ぐ。写真はGaNパワー素子を搭載した電源回路。2023年10月撮影（写真：日経クロステック）
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　半導体大手が、パワー半導体の性能向上とコスト削減を進めている。炭化ケイ素（SiC）で大きなシェアを握るスイスSTMicroelectronics（STマイクロエレクトロニクス）は、低損失な新構造のSiCパワー素子の開発に取り組む。パワー半導体最大手のドイツInfineon Technologies（インフィニオンテクノロジーズ）は窒化ガリウム（GaN）のコスト削減に本腰を入れる。車載パワー半導体大手のデンソーは、低コストの新型Si IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の開発に力を注ぐ。

STマイクロは「スーパージャンクション構造」のSiC MOSFETの開発に力を注ぐ（出所：日経クロステック）
STマイクロは「スーパージャンクション構造」のSiC MOSFETの開発に力を注ぐ（出所：日経クロステック）
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　2023年12月に展示会「SEMICON Japan 2023」と併催されたセミナーで、パワー半導体大手が技術戦略を明らかにした。登壇したのは、前出の3社である。

　STマイクロは、米Tesla（テスラ）の電気自動車（EV）にSiCパワー素子が採用されたことを契機に、SiC事業が成長した。2023年度のSiC事業の売上高は約12億米ドル（約1700億円）になると予測した。

スーパージャンクション型に注力

　そのSTマイクロは、SiC MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）で競合他社と異なる戦略を採る。多くが「トレンチ型」に注力する中、STマイクロは「プレーナー型」に力を注ぐ。

　プレーナー型はトレンチ型に比べて構造がシンプルで製造しやすい。一方、トレンチ型は抵抗値（オン抵抗）を下げやすく、低損失化に向く。STマイクロは独自技術によってプレーナー型でも低い損失を実現できると判断し、プレーナー型に集中している。

　次は「Super Junction（スーパージャンクション）構造」の製品化を狙う。どの程度高い電圧で利用できるかの指標となる「耐圧」と、オン抵抗はトレードオフの関係にある。耐圧を高めるとオン抵抗が上がる。オン抵抗を下げると、耐圧が低くなる。同構造ではこのトレードオフの関係を緩和できる。その分、同じ耐圧で低いオン抵抗を実現しやすく、損失低減につながる。Siでは製品化済みだが、SiCでは研究開発段階にある。

300mmのSiウエハーでGaN

　インフィニオンは、次世代パワー半導体では長年にわたりSiC中心だったが、近年はGaNにも力を注ぐ。SiCに比べてGaNは低コスト化と機能集積に向くと見ているからだ。安価で口径の大きいSiウエハーを利用できることに起因する。現在の口径150mm（6インチ）から口径200mm（8インチ）のSiウエハーに移行しつつあるという。将来、300mm（12インチ）ウエハーの利用も見据えている。これは、Si IGBT並みの大きさである。ウエハー口径が大きいほど、生産性が高まり、コスト削減につながる。

　Siウエハーを利用するので、同一ウエハー上に他の素子を造って集積しやすい。例えば、電流センサーや温度センサー、ゲートドライバーなどだ。

　GaNパワー素子に対して、信頼性を課題視する声もまだ残る。そこでインフィニオンは、業界で標準化された信頼性仕様を達成するだけではなく、独自の高い基準を設け、それをパスすることで高い信頼性を確保できると説明する。

　高耐圧/高出力の用途はSiC、低・中耐圧/低・中出力の用途はGaNと見ている。GaNの主な用途が、スマートフォンやノートPCの電源アダプターだ。今後、車載充電器への採用を狙う。

HEVにはRC-IGBT

　デンソーは競合と同じくSiCに注力しているが、独自構造のSi IGBTも訴求する。EVにはSiC、ハイブリッド車（HEV）にはSi IGBTという方針だ。

　SiCパワー素子を適用すると電力損失を低減できる。同じ航続距離であれば、電力損失が少ない分、電池容量を減らせるので電池コストを削減できる。電池容量が大きいEVではコスト削減効果が大きいが、HEVではEVほど電池容量が大きくない。

　そこでHEVには安価なSi IGBTが適すると見ている。デンソーが得意とするのがIGBTにダイオードを集積して1チップ化した独自構造の「RC-IGBT」である。インバーターやコンバーターといった電力変換回路では、IGBTのようなトランジスタとダイオードをセットで用いる。これらを1チップ化することで、それぞれを別に用意する場合に比べて、パワー素子のサイズを約3割削減できる。その分、コスト削減につながる。

　デンソーのRC-IGBTは例えばトヨタ自動車のHEV「プリウス」の第5世代品に採用されている。従来のRC-IGBTに比べて特性を高めつつ、造りやすい構造で生産性を高めた。

キーワード

Super Junction（スーパージャンクション）構造　MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の構造の一種。従来構造では「ドリフト層」と呼ばれる部分にn型層を用いる。スーパージャンクション構造では、n型層の一部にp型領域を形成して、n型層とp型層が交互に並ぶようにしている。この構造によって、オン抵抗を下げやすくする。シリコン（Si）MOSFETでは、耐圧が数百Vの製品で低いオン抵抗を実現するために用いる。様々な企業が製品化している。一方、SiCでは研究段階にある。