ワイドバンドギャップ半導体とは：SiC・GaN・Ga₂O₃のメリット

ワイドバンドギャップ半導体とは

通常(従来型)半導体の代表例はシリコン(Si, 1.12eV)やゲルマニウム(Ge, 0.66eV)、ワイドバンドギャップ半導体の代表例は炭化ケイ素(SiC, 3.3eV)、窒化ガリウム(GaN, 3.4eV)です。

半導体のバンド理論とバンドギャップ

ワイドバンドギャップのメリット

ワイドバンドギャップ半導体はパワーデバイス用途で活躍しています。パワーデバイスの用途から順を追って、ワイドバンドギャップ半導体のメリットを説明します。

パワー半導体とは：電力を扱う半導体

パワー半導体は電力を扱う半導体です。例えば、AC-DC変換(コンバータ)：交流を直流に変換する際に使用されています。

例えば、家庭用コンセントは交流(AC)ですが、スマホ充電は直流(DC)のため変換が必要です。

パワー半導体とは：特徴・応用例

パワー半導体による交流-直流変換

次に、半導体のpn接合を用いたダイオードを考えます。ダイオードは電流を1方向にしか流さない「整流(rectification)」という性質があります。

交流電圧をダイオードに接続すると、順方向電圧が印加された場合のみ電流が流れます。つまり、パワーダイオードの整流作用により、交流の一部を取り出し、直流に近い形に変換できます。

このとき、逆方向電圧が印加されても絶縁性を保つ力、すなわち「絶縁破壊電圧(耐圧)」が高いことが重要です。耐圧が不足していると、降伏現象により逆方向電流が流れて整流できなかったり、ダイオードが壊れて整流機能が失われてしまいます。

半導体の降伏現象：ツェナーとアバランシェ

半導体の耐圧を決める要因：バンドギャップ

半導体の耐圧を決める重要な要因の1つが「バンドギャップの大きさ」です。これはアバランシェ降伏のメカニズムに関係します。

アバランシェ降伏は、pn接合に強い逆方向電圧(逆バイアス)が印加した際に発生します。

このとき、少数キャリアである電子が電界によって加速され、結晶中の原子に衝突します。その衝突で他の電子(価電子)にエネルギーを与え、新たな電子を伝導帯へ励起します。

この励起が連鎖的に起こると、急激に大きな電流が流れるようになります。これがアバランシェ降伏の原理です。

アバランシェ降伏をバンド図で見ていきましょう。

価電子が伝導帯に移動するためには、バンドギャップに相当するエネルギーが必要です。つまり、衝突された価電子がバンドギャップを飛び越えることが、電子正孔対の生成につながります。

バンドギャップが大きい材料ほど、電子正孔対の生成に必要なエネルギーが大きくなるため、降伏に至るまでに必要な電界(耐圧)が高くなります。これが、ワイドバンドギャップ半導体が高耐圧となる原理です。

ワイドバンドギャップ半導体を用いると、より高電圧の電力も制御できるようになることが分かりましたね。

ワイドバンドギャップ材料の特性

各種ワイドギャップ半導体材料の物性値を下表に示しました。

項目 / 材料	Si	4H-SiC	GaN	ダイヤモンド	β-Ga₂O₃
バンドギャップ [eV]	1.1	3.3	3.4	5.5	4.8
絶縁破壊電界強度 [MV/cm]	0.3	3.0	3.3	10	8.0
電子移動度 [cm²/Vs]	1,500	950	1,500	2,200	300
比誘電率 (εr)	11.8	9.7	9	5.5	10
バリガ性能指数 (相対)	1	約340	約870	約18,000	約3,400

バリガ性能指数(Baliga’s Figure of Merit, BFOM)はパワーデバイス向け材料の性能指数です。高いほどパワー半導体材料に適しています。

シリコンと比較し、バンドギャップの大きいSiCやGaN、Ga₂O₃はバリガ性能指数が大きく、パワーデバイスに適していることが分かります。