電気自動車（EV）、再エネ、サーバー、急速充電器など、
高電圧・高電流・高温環境 に耐えるデバイス需要が急増している。

Siの限界を超えるため、
ワイドバンドギャップ（WBG）材料 が主役に。

代表例：

　● SiC（シリコンカーバイド）：高耐圧 × 高温 × 高信頼性

　● GaN（ガリウムナイトライド）：高周波 × 高効率

Siの物性限界を超えるため、次のような強みがある：

　● バンドギャップが大きい

　● 熱伝導率が高い（SiC）

　● 電界破壊強度が高い

　● 高温動作が可能

　● 低損失スイッチング

結果として、EVの電費改善、データセンターの消費電力削減 など、社会全体の省エネに直接貢献する。

Siと比べるとSiCは「加工がとても難しい」材料。

●（1）ウェハ品質の課題

SiC結晶は欠陥が多い。

　・ BPD（Basal Plane Dislocation）

　・ TED（Threading Edge Dislocation）

　・ Micropipe など

これらが歩留まり・電気特性に直結。

●（2）エッチングが難しい

SiCは硬くて化学的に反応しにくいため、
高電力プラズマを使う必要がある。

課題：

　・ エッチングレートが低い

　・ ダメージ層が厚くなる

　・ 表面粗さ改善が難しい

　・ ユニフォーミティ確保が困難

●（3）熱処理（アニール）が高温

活性化アニール温度は 1500℃以上 と超高温。

装置・基板応力・材料の選択が難しい。

●（4）ゲート絶縁膜（SiO₂）の品質がSiより悪い

界面欠陥密度（Dit）が高く、しきい値電圧が安定しにくい。

→ 研究テーマとして現在も大きな課題。

GaNは高速・高周波用途に強いが、SiCとは別の難しさがある。

 

●（1）基板選択が難しい

GaN単結晶は高価なため、市販品は多くが：

　・ GaN on Si

　・ GaN on SiC

　・ GaN on Sapphire

など異種材料の上に成膜される。

すると、

　・ 熱膨張係数の違いによる反り

　・ 成膜中のクラック

　・ 結晶欠陥の増加　が発生しやすい。

●（2）HEMT構造の複雑化

GaNは HEMT（High Electron Mobility Transistor） が主流。

重要要素：

　・ AlGaN層の組成・厚み

　・ 2DEG（高移動度電子層）

　・ p-GaNゲート（ノーマリーオフ化）

課題：

　・ ゲート耐圧

　・ RF特性とのトレードオフ

　・ 表面トラップ（電流不安定）

●（3）界面のクリーニング・表面制御が難しい

前処理が甘いと歩留まりが大きく低下する。

どちらもSiに比べて「歩留まりが出にくい」。

理由：

　・ 結晶欠陥が多い

　・ 材料の均質性が低い

　・ プロセスの許容幅（ウィンドウ）が狭い

　・ 熱処理など材料ストレスが大きい

　・ 設計とプロセスの両立が難しい

そのため、加工技術・装置・材料理解が全て必要な総合型デバイス。

●（1）SiC MOSFET

　・ トレンチ型が主流

　・ ゲート酸化膜信頼性が鍵

　・ ソースセル最適化でオン抵抗を低減

●（2）GaN HEMT

　・ AlGaN/GaN界面の2DEGが電流を担う

　・ p-GaN Gateでノーマリーオフ化

　・ MIS構造でゲートリーク抑制

●（3）高耐圧の実現手法

　・ Drift層の高品質化

　・ エッジターミネーション構造の最適化

　・ 電界分布を均一にする設計

SiCの主な課題

　・ ゲート絶縁膜の劣化

　・ 結晶欠陥起因のリーク・破壊

　・ 高温動作でのパラメータシフト

GaNの主な課題

　・ ゲート耐圧

　・ 表面トラップによる電流スパイク

　・ RF動作時の熱暴走

共通課題

　・ 製造コストが高い

　・ 歩留まりが低く製品単価が高止まり

この領域は 日本メーカーが強い領域 でもあり、高信頼性を実現するノウハウが差別化要因。

● 8インチSiCウェハ の量産化
→ コスト改善が進む

● Vertical GaN（縦型GaN） の研究加速
→ 高耐圧と高速を両立

● MOS / MIS構造の改善

● 高耐圧 × 高周波 × 低損失 の三拍子要求
→ EV・データセンター・再エネで爆発的に需要増

● パッケージとセットで最適化
→ SiC/GaNは熱設計・寄生・実装が性能に直結

　・ SiC/GaNはSiを超える特性を持つWBG材料

　・ EV・再エネ・サーバーなど社会インフラを変える技術

　・ ただし製造難易度が極めて高く、歩留まり確保が最大の課題

　・ SiCは硬く加工・熱処理が難しい

　・ GaNは異種基板・表面トラップが課題

　・ 信頼性確保が競争力を決める

　・ 今後は縦型GaNや8インチSiCがゲームチェンジとなる

１．なぜSiではなくSiCやGaNが高耐圧用途で使われるのか？

２．SiCデバイスのエッチングが特に難しい理由は？

３．GaN HEMTで2DEGが重要な理由は何か？

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。