炭化ケイ素 (SiC) と窒化ガリウム (GaN) アプリケーションの違いは何ですか? - ヴェテック・セミコンダクター

SiCそしてGaNこれらは「ワイドバンドギャップ半導体」（WBG）と呼ばれます。使用される製造プロセスにより、WBG デバイスには次の利点があります。

1. ワイドバンドギャップ半導体

窒化ガリウム（GaN）そして炭化ケイ素（SiC）バンドギャップとブレークダウンフィールドの点では比較的似ています。窒化ガリウムのバンドギャップは 3.2 eV ですが、炭化ケイ素のバンドギャップは 3.4 eV です。これらの値は類似しているように見えますが、シリコンのバンドギャップよりも大幅に高くなります。シリコンのバンドギャップはわずか 1.1 eV であり、窒化ガリウムや炭化シリコンの 3 分の 1 です。これらの化合物のバンドギャップが高いため、窒化ガリウムと炭化ケイ素は高電圧回路を快適にサポートできますが、シリコンのような低電圧回路をサポートすることはできません。

2. 破壊電界強度

窒化ガリウムと炭化ケイ素の降伏電界は比較的類似しており、窒化ガリウムの降伏電界は 3.3 MV/cm、炭化ケイ素の降伏電界は 3.5 MV/cm です。これらの破壊領域により、化合物は通常のシリコンよりもはるかに優れた高電圧を処理できるようになります。シリコンの破壊電界は 0.3 MV/cm です。これは、GaN と SiC がほぼ 10 倍高い電圧に耐えられることを意味します。また、大幅に小型のデバイスを使用して、より低い電圧をサポートすることもできます。

3. 高電子移動度トランジスタ (HEMT)

GaN と SiC の最も大きな違いは、電子の移動度です。これは、電子が半導体材料中をどれだけ速く移動するかを示します。まず、シリコンの電子移動度は 1500 cm^2/Vs です。 GaN の電子移動度は 2000 cm^2/Vs で、これは電子がシリコンの電子より 30% 以上速く移動することを意味します。ただし、SiC の電子移動度は 650 cm^2/Vs であり、SiC の電子は GaN や Si の電子よりも遅く移動することを意味します。このような高い電子移動度により、GaN は高周波アプリケーションに対してほぼ 3 倍の能力を発揮します。電子は、SiC よりもはるかに速く GaN 半導体中を移動できます。

4. GaNとSiCの熱伝導率

材料の熱伝導率は、それ自体を介して熱を伝達する能力です。熱伝導率は、使用環境に応じて材料の温度に直接影響します。高出力アプリケーションでは、材料の非効率性により熱が発生し、材料の温度が上昇し、その後その電気的特性が変化します。 GaN の熱伝導率は 1.3 W/cmK ですが、実際には、伝導率 1.5 W/cmK のシリコンよりも劣ります。ただし、SiC の熱伝導率は 5 W/cmK であり、熱負荷の伝達においてはほぼ 3 倍優れています。この特性により、SiC は高出力、高温の用途において非常に有利になります。

5. 半導体ウェーハの製造工程

現在の製造プロセスは、広く採用されているシリコン製造プロセスよりも高価で、精度が低く、エネルギー集約的であるため、GaN と SiC の制限要因となっています。たとえば、GaN には狭い領域に多数の結晶欠陥が含まれています。一方、シリコンには 1 平方センチメートルあたり 100 個の欠陥しか含まれません。明らかに、この膨大な欠陥率により GaN の効率が低下します。メーカーは近年大きな進歩を遂げていますが、GaN は依然として厳しい半導体設計要件を満たすのに苦労しています。

6. パワー半導体市場

シリコンと比較すると、現在の製造技術では窒化ガリウムと炭化ケイ素の費用対効果が制限されており、どちらの高出力材料も短期的には高価になります。ただし、どちらの材料も特定の半導体用途では大きな利点があります。

炭化ケイ素は窒化ガリウムよりも大きくて均一な SiC ウェーハの製造が容易であるため、短期的にはより効果的な製品になる可能性があります。窒化ガリウムは、電子移動度が高いため、時間が経つにつれて、小型の高周波製品にその地位を確立するでしょう。炭化ケイ素は、その電力能力が窒化ガリウムの熱伝導率よりも高いため、より大型の電力製品においてより望ましいものとなる。

窒化ガリウムd 炭化ケイ素デバイスは、シリコン半導体 (LDMOS) MOSFET および超接合 MOSFET と競合します。 GaN デバイスと SiC デバイスはいくつかの点で似ていますが、大きな違いもあります。

図 1. 高電圧、大電流、スイッチング周波数、および主要な応用分野の関係。

ワイドバンドギャップ半導体

WBG 化合物半導体は電子移動度が高く、バンドギャップ エネルギーが高いため、シリコンよりも優れた特性が得られます。 WBG 化合物半導体で作られたトランジスタは、より高い降伏電圧と高温耐性を備えています。これらのデバイスは、高電圧および高電力アプリケーションにおいてシリコンに勝る利点をもたらします。

図 2. デュアルダイ デュアル FET カスケード回路は、GaN トランジスタをノーマリオフ デバイスに変換し、高出力スイッチング回路での標準エンハンスメント モード動作を可能にします

また、WBG トランジスタはシリコンよりもスイッチングが速く、より高い周波数で動作できます。 「オン」抵抗が低いということは、消費電力が少なくなり、エネルギー効率が向上することを意味します。このユニークな特性の組み合わせにより、これらのデバイスは、自動車用途、特にハイブリッド車や電気自動車の最も要求の厳しい回路にとって魅力的になります。

車載電気機器の課題に対処する GaN および SiC トランジスタ

GaN および SiC デバイスの主な利点: 650 V、900 V、1200 V デバイスによる高電圧対応、

炭化ケイ素:

より高い1700V、3300V、6500V。

スイッチング速度の高速化、

より高い動作温度。

オン抵抗が低く、電力損失が最小限に抑えられ、エネルギー効率が高くなります。

GaNデバイス

スイッチング用途では、通常は「オフ」であるエンハンスメント モード (または E モード) デバイスが好まれ、これが E モード GaN デバイスの開発につながりました。最初に 2 つの FET デバイスのカスケードが登場しました (図 2)。現在、標準の e モード GaN デバイスが利用可能です。最大 10 MHz の周波数と最大数十キロワットの電力レベルでスイッチングできます。

GaN デバイスは、最大 100 GHz の周波数のパワーアンプとしてワイヤレス機器で広く使用されています。主な使用例には、携帯電話基地局のパワーアンプ、軍用レーダー、衛星送信機、一般的な RF 増幅などがあります。ただし、高電圧 (最大 1,000 V)、高温、高速スイッチングに優れているため、DC-DC コンバータ、インバータ、バッテリ充電器などのさまざまなスイッチング電源アプリケーションにも組み込まれています。

SiCデバイス

SiC トランジスタは、自然な E モード MOSFET です。これらのデバイスは、最大 1 MHz の周波数で、シリコン MOSFET よりもはるかに高い電圧および電流レベルでスイッチできます。最大ドレイン・ソース間電圧は最大約 1,800 V、電流能力は 100 アンペアです。さらに、SiC デバイスはシリコン MOSFET よりもオン抵抗がはるかに低いため、すべてのスイッチング電源アプリケーション (SMPS 設計) で効率が高くなります。

SiC デバイスを低いオン抵抗でオンにするには、18 ～ 20 ボルトのゲート電圧駆動が必要です。標準の Si MOSFET が完全にオンになるまでに必要なゲート電圧は 10 ボルト未満です。さらに、SiC デバイスをオフ状態に切り替えるには、-3 ～ -5 V のゲート ドライブが必要です。 SiC MOSFET は高電圧、大電流能力を備えているため、自動車の電源回路に最適です。

多くのアプリケーションでは、IGBT が SiC デバイスに置き換えられています。 SiC デバイスはより高い周波数でスイッチングできるため、効率を向上させながらインダクタやトランスのサイズとコストを削減できます。さらに、SiC は GaN よりも高い電流を処理できます。

GaN デバイスと SiC デバイス、特にシリコン LDMOS MOSFET、超接合 MOSFET、IGBT の間では競争が行われています。多くのアプリケーションでは、GaN および SiC トランジスタに置き換えられています。

GaN と SiC の比較の要点を要約すると、次のとおりです。

GaN は Si よりも速くスイッチングします。

SiC は GaN よりも高い電圧で動作します。

SiC は高いゲート駆動電圧を必要とします。

多くの電源回路およびデバイスは、GaN および SiC を使用して設計することで改善できます。最大の恩恵を受けるのは自動車の電気システムです。最新のハイブリッド車や電気自動車には、これらのデバイスを使用できるデバイスが搭載されています。一般的なアプリケーションには、OBC、DC-DC コンバータ、モーター ドライブ、LiDAR などがあります。図 3 は、高出力スイッチング トランジスタを必要とする電気自動車の主なサブシステムを示しています。

図 3. ハイブリッド車および電気自動車用の WBG オンボード充電器 (OBC)。 AC 入力は整流され、力率補正 (PFC) され、その後 DC-DC 変換されます。

DC-DCコンバータ。 これは、他の電気機器を動作させるために、バッテリーの高い電圧を低い電圧に変換する電源回路です。現在のバッテリー電圧の範囲は最大 600V または 900V です。 DC-DC コンバータは、他の電子コンポーネントの動作のために電圧を 48V または 12V、あるいはその両方に降圧します (図 3)。ハイブリッド電気自動車 (HEVEV) では、バッテリー パックとインバーター間の高電圧バスに DC-DC を使用することもできます。

オンボード充電器 (OBC)。プラグイン HEVEV および EV には、AC 主電源に接続できるバッテリー充電器が内蔵されています。これにより、外部 AC-DC 充電器を必要とせずに自宅で充電できるようになります (図 4)。

メインドライブモータードライバー。主駆動モーターは高出力ACモーターで車両の車輪を駆動します。ドライバーはバッテリー電圧を三相交流に変換してモーターを回転させるインバーターです。

図 4. 一般的な DC-DC コンバータは、バッテリの高電圧を 12 V および/または 48 V に変換するために使用されます。高電圧ブリッジで使用される IGBT は、SiC MOSFET に置き換えられています。

GaN および SiC トランジスタは、自動車の電気設計者に柔軟性とシンプルな設計を提供するだけでなく、高電圧、大電流、高速スイッチング特性による優れた性能を提供します。

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