【1】はじめに
現代社会では、電力を「いかに効率よく使うか」が大きなテーマです。
電気自動車（EV）、再生可能エネルギー、産業機器など、
高電圧・大電流を扱う領域では、シリコン（Si）では性能が限界に近づいています。
そこで登場したのが、ワイドバンドギャップ（WBG）半導体。
SiC（炭化ケイ素）、GaN（窒化ガリウム）、Ga₂O₃（酸化ガリウム）などが代表的で、
これらは次世代パワー半導体として注目されています。
【2】パワー半導体とは
パワー半導体とは、電気を「制御」「変換」「供給」するための素子を指します。
主にインバータやコンバータなどで電力をスイッチングし、
モーター駆動・電力変換・充電制御などを行います。
つまり、エネルギー効率を決める電気の弁の役割です。
この性能を高めることが、脱炭素社会のカギとなります。
【3】SiC（炭化ケイ素：Silicon Carbide）
特徴
・シリコンと炭素の化合物。
・バンドギャップ：約3.2 eV（Siの約3倍）。
・絶縁破壊電界：Siの約10倍。
・熱伝導率：Siの約3倍。
強み
・高耐圧（1200V以上）・高温動作（600℃級）に強い。
・スイッチング損失が小さく、省エネ効果が大きい。
・放熱性が高く、パッケージの小型化にも貢献。
主な用途
・EV・ハイブリッド車のインバータ
・産業機器、鉄道、太陽光発電用インバータ
・高温環境下での電力変換装置
課題
・結晶欠陥が発生しやすく、ウェーハ製造コストが高い。
・加工が難しく、歩留まりが低い。
→ それでも、「EVの心臓部を支える素材」として需要急増中。
【4】GaN（窒化ガリウム：Gallium Nitride）
特徴
・バンドギャップ：約3.4 eV（Siより広い）。
・電子移動度が高く、高周波動作に優れる。
・直接遷移型で光応答にも強い（LED・レーザーの素材でもある）。
強み
・高速スイッチングにより、スイッチング損失を大幅に削減。
・小型・軽量な電源設計が可能。
・5G通信、電力変換、無線給電に最適。
主な用途
・スマートフォン用急速充電器（GaN充電器）
・サーバー電源、データセンターの省エネ化
・5G・ミリ波アンプ、レーダー、衛星通信機器
課題
・高電圧動作（1200V超）ではSiCほどの信頼性がまだ不足。
・基板コスト（主にサファイア・SiC基板）と熱拡散性が課題。
→ それでも、「高周波×高効率×小型化」を実現する最有力候補。
【5】Ga₂O₃（酸化ガリウム：Gallium Oxide）
特徴
・バンドギャップ：約4.9 eV（WBG中で最大級）。
・絶縁破壊電界はSiの約8〜10倍。
・理論的にはSiCやGaNよりも高耐圧動作が可能。
強み
・超高耐圧（10kV以上）のデバイス化が可能。
・溶液成長で大面積基板を安価に製造できる。
・次世代の超高電圧電力変換デバイスとして期待。
課題
・熱伝導率が低く、放熱設計が難しい。
・電子移動度が低く、高速動作には不向き。
・結晶技術が発展途上で、量産化はこれから。
→ 「ポストSiC」として、研究段階ながら世界的に注目されている。
【6】材料比較（簡易まとめ）
・Si：成熟・安価・低耐圧（既存機器向け）
・SiC：高耐圧・高温・EV主力（省エネ重視）
・GaN：高速・高周波・小型（通信・充電向け）
・Ga₂O₃：超高耐圧・低コストポテンシャル（研究段階）
→ それぞれの特徴を活かし、「使い分ける時代」へ。
【7】共通の技術トレンド
・高耐圧・高温・高効率を両立させる材料設計。
・放熱・封止・パッケージング技術の重要性増大。
・シリコン技術とのハイブリッド化（SiベースGaN、SiC MOSFETなど）。
・信頼性試験や車載品質（AEC-Q101）への対応。
→ 材料そのものよりも「システム最適化」が競争力の源泉になる。
【8】産業・環境へのインパクト
・EV1台あたりの電力変換効率が5〜10％向上すれば、走行距離が約10％伸びる。
・発電所・データセンターの省エネにも貢献し、CO₂削減効果が極めて大きい。
・次世代半導体は「グリーンテクノロジーの要」。
→ 技術革新がそのまま「地球のエネルギー効率」に直結している。
【9】今後の課題と展望
・結晶欠陥・熱設計・コストの最適化。
・量産化と信頼性評価の標準化。
・各材料の使い分けによる“最適システム設計”の実現。
・AIによる材料設計・プロセス最適化の活用。
→ 今後10年で「Si → SiC／GaN → Ga₂O₃」のシフトが進む可能性が高い。
【10】まとめ
・SiC・GaN・Ga₂O₃は、シリコンの限界を超える次世代パワー半導体材料。
・それぞれに強みと課題があり、用途に応じた最適選択が求められる。
・EV、再エネ、通信など社会インフラの省エネを支える中核技術である。
・「より小さく、より速く、より熱く動く」時代の主役。
【理解チェック（3問）】
１．SiC・GaN・Ga₂O₃の共通点は？
２．SiCとGaNの主な違いは？
３．Ga₂O₃が注目される理由は？
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。
