シリコンカーバイド（SiC）と窒化ガリウム（GaN）

シリコンカーバイドと窒化ガリウムの主な違いを調べてみましょう。これにより、これらの化合物を最も効果的に適用するタイミングを理解するのに役立ちます。

SiCとGaNの電気的な違い

いくつかの共通の特性を使用して、半導体ウェーハ材料の能力を分析できます。これらの各要因は半導体のパフォーマンスに影響を与えます。

ワイドバンドギャップ半導体

窒化ガリウム (GaN) とシリコンカーバイド (SiC) は、バンドギャップと破壊電界の両方において比較的類似しています。窒化ガリウムのバンドギャップは3.2 eVですが、炭化シリコンのバンドギャップは3.4 eVです。これらの値は似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著しく高くなっています。シリコンのバンドギャップはわずか1.1 eVで、ガリウムやシリコンカーバイドの3分の1の大きさです。化合物のより高いバンドギャップにより、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、シリコンほど低電圧回路をサポートすることはできません。

破壊電界強度

窒化ガリウムと炭化ケイ素の破壊電界は比較的似ており、窒化ガリウムは3.3 MV/cmの破壊電界を誇り、炭化ケイ素は3.5 MV/cmの破壊電界を誇ります。単純なシリコンと比較すると、これらの破壊電界により、化合物はより高い電圧を処理する能力が大幅に向上します。シリコンの破壊電界は0.3 MV/cmであり、これは窒化ガリウムと炭化シリコンがほぼ10倍高い電圧を維持する能力があることを意味します。また、大幅に小型化された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。

高電子移動度トランジスタ（HEMT）

窒化ガリウムと炭化ケイ素の最も大きな違いは、電子が半導体材料内をどれだけ速く移動できるかを示す電子移動度にあります。まず、シリコンの電子移動度は1500 cm^2/Vsです。窒化ガリウムの電子移動度は2000 cm^2/Vsで、シリコンの電子よりも30% 以上速く電子が移動できることを意味します。しかし、シリコンカーバイドの電子移動度は650 cm^2/Vsであり、これはシリコンカーバイドの電子の移動速度がGaNやシリコンの電子よりも遅いことを意味します。このように電子移動度が高くなったGaNは、高周波アプリケーションに3倍近く適しています。電子は、SiCよりもはるかに高速に窒化ガリウム半導体内を移動できます。

GaNとSiCの熱伝導率

物質の熱伝導率とは、物質自体を通して熱を伝達する能力です。熱伝導率は、使用状況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、その結果、電気特性が変化します。窒化ガリウムの熱伝導率は1.3 W/cmKで、これは実際にはシリコンの1.5 W/cmKよりも悪いです。しかし、シリコンカーバイドは5 W/cmKの熱伝導率を誇り、熱負荷の伝達がほぼ3倍優れています。この特性により、シリコンカーバイドは高出力、高温の用途で非常に有利になります。

半導体ウェハ製造プロセス

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、精度が低い、またはエネルギー集約的であるため、窒化ガリウムと炭化シリコンの両方にとって制限要因となっています。たとえば、窒化ガリウムには、小さな領域に大量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個程度の欠陥しか含まれません。今世紀以前、メーカーは10億個/cm未満の欠陥を持つGaN基板を作成することができませんでした。明らかに、この膨大な欠陥率により、GaNは信じられないほど非効率的なものになりました。近年、メーカーは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。

パワー半導体市場

現在の製造技術では、シリコンと比較した場合、窒化ガリウムと炭化ケイ素の両方のコスト効率が制限されており、短期的には両方の高出力材料がより高価になります。ただし、どちらの材料も特定の半導体用途においては強力な利点を持っています。

シリコンカーバイドは、窒化ガリウムよりも大きく均一なSiCウェハーを製造するのが容易なため、短期的にはより効果的な製品となる可能性があります。やがて、その高い電子移動度により、窒化ガリウムは小型の高周波製品に採用されるようになるでしょう。シリコンカーバイドは、その電力能力と窒化ガリウムよりも高い熱伝導率を考えると、大型電力製品に適しています。GaNおよびSiC MOSFET を含むさまざまな電源製品の詳細を確認し、購入してください。