窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETは、ここ2、3年で注目を集めているパワー半導体です。従来のシリコンパワー半導体と比較して、高耐電圧、低オン抵抗、低寄生パラメータなど、多くの優れた特性を備えています。また、独自の特性も持ち合わせています。窒化ガリウムトランジスタは、極めて低い寄生パラメータと極めて高速なスイッチング速度により、高周波アプリケーションに特に適しています。炭化ケイ素MOSFETは、駆動が容易で信頼性が高いため、高性能スイッチング電源に適しています。

この記事は、インフィニオン社の窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFET製品を基に、両者の構造、特性、および用途の違いについて詳細に解説するものです。      
第三世代パワー半導体の比類なき双子として、窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETは、特に電気技術者の間で、ますます注目を集めています。電気技術者がこれら2つのパワー半導体にこれほど注目する理由は、図1に示すように、これらの材料が従来のシリコン材料に比べて多くの利点を持っているからです。窒化ガリウムと炭化ケイ素材料は、バンドギャップ幅が大きく、臨界電界強度が高いため、これら2つの材料をベースとしたパワー半導体は、高耐電圧、低オン抵抗、小さな寄生パラメータなどの優れた特性を備えています。スイッチング電源の分野で使用した場合、低損失、高動作周波数、高信頼性といった利点があり、スイッチング電源の効率、電力密度、信頼性を大幅に向上させることができます。      
          図1：シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウムの主要特性の比較
上記の優れた特性により、窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETは産業分野でますます広く使用されるようになり、今後さらに大規模に使用されるようになるでしょう。図2は、IHS Markitが提供するこれら2つのパワー半導体の応用分野と販売予測を示しています。応用分野の拡大に伴い、窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETの販売量も大幅に増加すると予想されます。図3は、IHS Markitが提供するこれら2つのパワー半導体の販売予測です。      
      図2：窒化ガリウムトランジスタおよび炭化ケイ素MOSFETの応用分野と販売予測
      図3：窒化ガリウムトランジスタおよび炭化ケイ素MOSFETの販売予測
本稿の第2章では、窒化ガリウムトランジスタの構造と特性について詳しく解説します。第3章では、炭化ケイ素MOSFETの構造と特性について詳しく解説します。第4章では、これら2種類のパワー半導体を同一回路で使用した場合の比較分析を行い、それぞれの応用における類似点と相違点をより明確に説明します。最後に、本稿全体の要約を行います。      
             窒化ガリウムトランジスタの構造と特性          

窒化ガリウムトランジスタの構造

シリコン製のパワー半導体とは異なり、窒化ガリウムトランジスタは、図4に示すように、バンドギャップの異なる2つの材料（通常はAlGaNとGaN）の界面における圧電効果によって形成される二次元電子ガス（2DEG）を通して電気を伝導します。二次元電子ガスは高濃度の電子のみを伝導するため、シリコンMOSFETの少数キャリア再結合（すなわち、ボディダイオードの逆回復）の問題は発生しません。      
      図4：窒化ガリウムの導電原理の模式図
図4に示す基本的な窒化ガリウムトランジスタの構造は、空乏型高電子移動度トランジスタ（HEMT）であり、ゲートとソース間に電圧が印加されていないとき（VGS=0V）、窒化ガリウムトランジスタのドレインとコンポーネントが導通し、つまりノーマリーオンデバイスであることを意味します。これは、従来のノーマリークローズ型MOSFETやIGBTパワースイッチとは全く異なり、特にスイッチング電源の分野では、産業用途での使用が非常に困難です。この問題に対処するために、業界では通常2つの解決策があります。1つはカスコード構造を使用すること、もう1つはゲートにP型窒化ガリウムを追加してエンハンスメントモード（ノーマリークローズ）トランジスタを形成することです。2つの構造を図5に示します。      
      図5：窒化ガリウムトランジスタの2つの構造
カスケード構造の窒化ガリウムは、低電圧シリコンMOSFETとカスケード接続された空乏型窒化ガリウムです。この構造の利点は、駆動方式が従来のシリコンMOSFETと全く同じであることです（シリコンMOSFETを駆動するため）。しかし、この構造には大きな欠点もあります。まず、シリコンMOSFETにはボディダイオードがあります。窒化ガリウムが逆方向に電流を流すと、ボディダイオードの逆回復問題が発生します。次に、シリコンMOSFETのドレインは空乏型窒化ガリウムのソースに接続されています。シリコンMOSFETのオン/オフ切り替え時に、ドレインとソース間の振動は、窒化ガリウムのソースとゲート間の振動となります。この振動は避けられないため、窒化ガリウムトランジスタが誤ってオン/オフされる可能性があります。最後に、2つのパワーデバイスがカスケード接続されているため、窒化ガリウムデバイス全体のオン抵抗をさらに低減できる可能性が限られています。      
カスケード構造における上記の問題のため、パワー半導体業界における窒化ガリウムトランジスタの主流技術は、エンハンスメントモード窒化ガリウムトランジスタである。インフィニオンテクノロジーズ社の窒化ガリウムトランジスタCoolGaNを例にとると、その詳細な構造を図6に示す。      
      図6：CoolGaN構造の概略図
図6に示すように、現在業界で流通している窒化ガリウムトランジスタ製品は、ソース、ゲート、ドレインが同一平面上にある平面構造を採用しており、スーパージャンクション技術に代表されるシリコンMOSFETの垂直構造とは異なります。ゲート下のp-GaN構造は、前述のエンハンスメントモード窒化ガリウムトランジスタを形成します。ドレインの隣のもう1つのp-GaN構造は、窒化ガリウムトランジスタでよく発生する電流崩壊問題を解決します。インフィニオンテクノロジーズ社のCoolGaN製品の基板にはシリコン材料が使用されており、窒化ガリウムトランジスタの材料コストを大幅に削減できます。シリコン材料と窒化ガリウム材料の熱膨張係数は大きく異なるため、基板とGaNの間に多くの遷移層を追加することで、高温と低温のサイクルや高温と低温の衝撃などの厳しい動作条件下で、窒化ガリウムトランジスタがウェーハ剥離などの故障を起こさないようにしています。      
       

窒化ガリウムトランジスタの特性

図6に示す構造に基づくと、CoolGaNは表1に示す特性と、それによってもたらされる利点を有している。      
      表1：CoolGaNの特性と利点
表1に示す特性から、窒化ガリウムトランジスタはボディダイオードを持たないが逆電流を流すことができるため、パワースイッチの逆電流の流れが必要でハード転流となる回路、例えば電流連続モード（CCM）のトーテムポールブリッジレスPFCなどに非常に適しており、極めて高い信頼性と効率を実現できることがわかる。回路トポロジー図を図7に示す。図中、Q1とQ2は窒化ガリウムトランジスタ、Q3とQ4はシリコンMOSFETである。      
      図7：窒化ガリウムトランジスタを用いたトーテムポール型PFCトポロジーの概略図
表1から、窒化ガリウムはスイッチング速度が非常に速く、駆動損失が小さいため、高周波アプリケーションに非常に適していることがわかります。窒化ガリウムトランジスタを使用した高周波スイッチング電源は、高電力密度と高効率という利点があります。図8は、3.6KW LLCトポロジーのDC-DCコンバータを示しています。LLCの共振周波数は350KHzです。コンバータの電力密度は160W/in^3に達し、最大効率は98%を超えます。      
      図8：CoolGaNを用いた3.6kW LLC変換回路
上記の分析から、窒化ガリウムトランジスタは、高効率、高周波、高電力密度を必要とする用途に適していることがわかる。      
             炭化ケイ素MOSFETの構造とその特性          

炭化ケイ素MOSFETの構造

一般的なプレーナー型炭化ケイ素MOSFETの構造を図9に示す。チャネル抵抗を低減するために、この構造では通常、ゲート酸化膜を非常に薄く設計するが、ゲート入力電圧が高い場合、ゲート酸化膜に信頼性リスクが生じる。この問題を解決するために、炭化ケイ素MOSFET製品であるCoolSiCは、トレンチ型炭化ケイ素MOSFETと呼ばれる異なるゲート構造を採用している。そのゲート構造を図10に示す。この構造を採用することで、炭化ケイ素MOSFETのチャネル抵抗はゲート酸化膜に強く依存しなくなり、ゲートの信頼性と実現可能性を高めながら、オン抵抗を極めて低く抑えることができる。      
      図9：平面型炭化ケイ素MOSFETの構造概略図
      図10：CoolSiCトレンチゲート構造
       

炭化ケイ素MOSFETの特性

窒化ガリウムトランジスタと同様に、炭化ケイ素MOSFETもオン抵抗と寄生パラメータが小さいという特性を持っています。さらに、シリコンMOSFETと比較してボディダイオード特性も大幅に改善されています。図11は、インフィニオンの炭化ケイ素650V耐電圧MOSFET CoolSiCと、業界最高のボディダイオード性能を持つシリコンパワーMOSFETであるCoolMOS CFD7の2つの主要指標RDS(on)*QrrとRDS(on)*Qossの比較です。前者はボディダイオードの逆回復特性を測定する指標であり、後者はMOSFET出力コンデンサに蓄積される電荷​​量を測定する指標です。これら2つの項目の値が小さいほど、逆回復特性が優れており、蓄積電荷が少なくなります（ソフトスイッチングトポロジでは、ハーフブリッジ構造の上下パワートランジスタに必要なデッドゾーンが短くなります）。同様のオン抵抗を持つシリコンMOSFETと比較すると、炭化ケイ素MOSFETの逆回復電荷は約1/6、出力コンデンサの電荷は約1/5に過ぎないことがわかります。そのため、炭化ケイ素MOSFETは、ボディダイオードがハードターンオフされるトポロジー（電流連続モードトーテムポールブリッジレスPFCなど）やソフトスイッチングトポロジー（LLC、位相シフトフルブリッジなど）に特に適しています。      
炭化ケイ素MOSFETには、短絡耐性という優れた特性もあります。シリコンMOSFETと比較して短絡時間が大幅に改善されており、インバータなどのモータ駆動用途において非常に重要です。図12は、CoolSiCとCoolMOSの短絡耐性の比較表です。この図から、CoolSiCは短絡時間が長く短絡電流が小さいなど優れた特性を実現しており、短絡時の信頼性が大幅に向上していることがわかります。      
      図11：炭化ケイ素MOSFETとシリコンMOSFETの性能比較
      図12：炭化ケイ素MOSFETの短絡特性の比較
第3章では、窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETの構造と特性についてそれぞれ解説します。以下では、両者のパラメータと実際の回路を比較します。      
             窒化ガリウムMOSFETと炭化ケイ素MOSFETの比較          

電気的パラメータの比較

表2は、窒化ガリウムトランジスタCoolGaNと炭化ケイ素MOSFET CoolSiCの2つのパワー半導体の主要パラメータを比較したものである。      
      表2：CoolGaNと炭化ケイ素MOSFET CoolSiCの主要パラメータの比較
表2から、窒化ガリウムトランジスタの動的パラメータは炭化ケイ素MOSFETの動的パラメータよりも低いことがわかります。したがって、窒化ガリウムトランジスタのスイッチング損失は炭化ケイ素MOSFETのスイッチング損失よりも低く、その利点は高動作周波数でより顕著になります。電流が逆方向（ソースからドレイン）に流れる場合、窒化ガリウムトランジスタの電圧降下はゲート-ソース駆動電圧に関係します。どちらが高いか低いかは、アプリケーション状況に応じて比較する必要があります。最後のしきい値電圧Vgs(th)については、窒化ガリウムトランジスタの値は非常に小さいため、窒化ガリウムトランジスタの駆動設計には細心の注意を払う必要があります。ゲートのノイズが大きい場合、窒化ガリウムトランジスタが意図せずオンになる可能性があります。同時に、CoolGaNは電流型駆動モードであり、従来の電圧型駆動とは異なります。炭化ケイ素MOSFETのしきい値電圧ははるかに高く、その駆動要件はIGBT駆動に非常に近いものとなっています。      
図13は、もう1つの重要なパラメータであるオン抵抗RDS(on)の温度変化率の比較を示しています。パワー半導体スイッチのオン抵抗は正の温度係数を持つことがよく知られています。つまり、接合部温度が高いほどオン抵抗は大きくなります。図13から、炭化ケイ素MOSFETの温度上昇係数は窒化ケイ素トランジスタやシリコンMOSFETよりもはるかに小さいことがわかります。接合部温度が100℃の場合、その差は30%と50%に達しています。図13によれば、接合部温度25℃において炭化ケイ素MOSFETと窒化ガリウムトランジスタのオン抵抗が同じであると仮定すると、同じアプリケーション回路では、両方の導通損失（〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))）が同じであることがわかりますが、2つの接合部温度が100℃に上昇すると、炭化ケイ素MOSFETの導通損失は窒化ケイ素トランジスタの導通損失のわずか70%となり、厳しい環境要件と高温での高効率が求められるアプリケーションシナリオにとって非常に魅力的です。      
      図13：シリコンカーバイドMOSFET、窒化ガリウムトランジスタ、シリコンMOSFETのオン抵抗曲線（接合部温度の関数として）
       

アプリケーションの比較

まず、図7に示す電流連続モード（CCM）のトーテムポールブリッジレスPFC回路において、窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETが変換効率に及ぼす影響をテストした。テスト条件を表3に示す。      
      表3：PFC回路の試験条件
このテストでは、各パワースイッチに対して2つのオン抵抗デバイスをテストしました。窒化ガリウムトランジスタの場合、RDS(on)はそれぞれ35mΩと45mΩであり、炭化ケイ素MOSFETの場合はそれぞれ65mΩと80mΩでした。テスト結果を図14に示します。軽負荷条件下ではパワースイッチのスイッチング損失が導通損失よりも大きいため、窒化ガリウムトランジスタの効率は炭化ケイ素トランジスタの効率よりも大幅に高くなります。負荷が徐々に増加すると、導通損失がスイッチング損失よりも全損失に占める割合が高くなります。同時に、負荷が増加すると、パワースイッチの温度上昇も増加します。図13の接合部温度に対するオン抵抗の変化率から、炭化ケイ素トランジスタのオン抵抗は温度とともに増加しにくいことがわかります。したがって、25℃における炭化ケイ素トランジスタのオン抵抗は窒化ガリウムトランジスタのオン抵抗よりも高いものの、高温における2つのパワースイッチの効率差は非常に小さい。      
      図14：炭化ケイ素MOSFET、窒化ガリウムトランジスタのPFCレベルにおける効率曲線
次に、出力電力3kWの2相インターリーブ並列ハーフブリッジLLC回路トポロジーにおいて、異なる動作周波数での窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETの計算効率を比較します。この計算では、周波数増加によって生じる磁気部品（共振インダクタと主電源インダクタを含む）の損失増加の影響は無視します。回路トポロジーを図15に示します。選択した窒化ガリウムトランジスタのモデルはIGOT60R070D1（25℃における最大RDS(on)は70mΩ）で、合計8個です。選択した炭化ケイ素MOSFETのモデルはIMZA65R048M1H（25℃における最大RDS(on)は64mΩ）で、合計8個です。      
      図15：2相千鳥配置並列LLC回路の概略図
負荷50%（1500W）および通常の温度動作環境下で、異なる動作周波数での効率比較を図16に示します。動作周波数が低い場合（<100kHz）、オン抵抗が類似している窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETを使用した場合の効率は類似しており、どちらも非常に高い効率（>99.2%）を達成できます。動作周波数が300KHzに上昇すると、窒化ガリウムは寄生パラメータが非常に小さいため、全損失に対するスイッチング損失の割合が低く、効率の低下はごくわずか（0.08%）ですが、炭化ケイ素MOSFETの効率は0.58%（99.28%-98.7%）低下します。動作周波数が500KHzに上昇すると、両者の効率の差は非常に大きくなります（1%）。もちろん、実際の回路においては、周波数の増加によって磁気部品の損失が急激に増加することを考慮すると、両者の効率差はそれほど大きくはないが、効率変化の傾向は同じである。      
      図16：異なる動作周波数における2つの電力デバイスの効率比較
             窒化ガリウムおよび炭化ケイ素MOSFETの適用に関する推奨事項          

第3章および第4章の議論に基づき、インフィニオン・テクノロジーズ社の窒化ガリウムトランジスタおよび炭化ケイ素MOSFET製品を基に、これら2つのワイドバンドギャップパワー半導体の応用に関する推奨事項は以下のとおりである。
（１）何らかの理由で、適用するシステムは２００kHzを超える周波数で動作する必要がある。窒化ガリウムトランジスタが第一の選択肢であり、次に炭化ケイ素MOSFETが続く。動作周波数が２００kHz未満の場合は、どちらも使用できる。
（２）適用システムは、軽負荷から半負荷まで極めて高い効率が求められる。窒化ガリウムトランジスタが第一候補であり、次いで炭化ケイ素MOSFETが候補となる。
（３）適用するシステムの最高動作温度が高い場合、放熱が困難な場合、または全負荷時に極めて高い効率が要求される場合は、炭化ケイ素MOSFETが第一の選択肢であり、次に窒化ガリウムトランジスタが続きます。
（４）適用システムは大きなノイズ干渉、特にゲート駆動干渉がある。シリコンカーバイドMOSFETが第一の選択肢であり、窒化ガリウムトランジスタが第二の選択肢である。
（５）適用するシステムで大きな短絡容量を持つパワースイッチが必要な場合は、炭化ケイ素MOSFETが第一の選択肢となります。
（６）特別な要件のないその他のアプリケーションシステムの場合、どの製品を選択するかは、放熱方法、電力密度、設計者の両者に対する習熟度などの要因によって決まります。      
             まとめる          

本稿では、近年登場したワイドバンドギャップパワー半導体、すなわち窒化ガリウムトランジスタと炭化ケイ素MOSFETの構造、特性、性能差、および応用例について詳しく解説する。ワイドバンドギャップパワー半導体は、シリコン系半導体では実現できない多くの性能上の利点を有するため、業界ではますます広く利用されるようになっている。      
     

業界がワイドバンドギャップパワー半導体への理解を深め、応用経験を積むにつれて、両者の使用量は急増し、価格も低下するでしょう。これにより、ワイドバンドギャップパワー半導体の大規模な利用が促進され、好循環が生まれます。したがって、電気技術者にとって、製品の競争力向上、製品の認知度向上、そして自身の能力向上を図るためには、ワイドバンドギャップパワー半導体をできるだけ早く習得し、活用することが非常に重要です。本稿は、電気技術者がワイドバンドギャップパワー半導体を理解し、活用する上で、非常に参考になる情報と意義を持つものと確信しています。

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