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ワイドバンドギャップ半導体によるグリーンエネルギーの強化

近年、半導体技術の分野では多くのことが起こっています。シリコンに加えて、「ワイドバンドギャップ」材料は、多くの電子機器やアプリケーションで使用されることが増えています。いわゆる「ワイドバンドギャップ」半導体は、炭化ケイ素または窒化ガリウムで構成されており、特に電力密度とエネルギー効率の点で大きな利点があります。

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09/07/2025

損失と冷却の削減、デバイスは小型化

エネルギー効率化キャンペーン
エネルギー効率化キャンペーン
エネルギー効率化キャンペーン

最新のパワー半導体は、特殊なウエハー材料 (炭化ケイ素や窒化ガリウム) で作られており、エネルギー効率を最適化する特定の特性を備えています。家庭で冷蔵庫を冷やす、工場で組み立てラインを稼働させる、太陽光発電を行う、またはデータセンターでデータを確実に処理するなど、生活のあらゆる分野における電気アプリケーションで電気を処理するためには、さまざまなタイプの半導体が必要です。センサー、マイクロコントローラー、ゲートドライバー、およびパワーデバイスは、電気で動作するアプリケーションの主要な要素です。それらによって、エネルギーを効率的で信頼性が高く、スマートで安全な方法で変換します。

パワーデバイスの分野では、ワイドバンドギャップ半導体と呼ばれる炭化ケイ素と窒化ガリウムという新しい技術が数年前から利用可能になっています。エネルギー効率の面で多くの利点があるため、脱炭素化に大きく貢献しています。その構造と特性により、より高い電圧と周波数を処理し、より高い温度でもスムーズに機能します。

窒化ガリウム (GaN) とは?

GaN半導体は、ガリウム (Ga) と窒化物 (N) から作られる化合物半導体です。GaNのみで作られたウエハーは製造コストが高すぎます。そのため、メーカーはシリコンウエハー上にGaNの極薄層を形成するという秘策を持っています。この非常に複雑な有機金属化学ガスの堆積は、インフィニオンの特殊な反応器で行われ、ここではシリコンウエハーが摂氏1200度の温度でさまざまな気化化学物質にさらされます。

GaNキービジュアル
GaNキービジュアル
GaNキービジュアル

複雑な化学反応により、わずか数千分の1ミリメートルの厚さのGaN層が、数時間でガス状材料から形成されます。そしてこの層に電子回路が形成されます。SiCでは電流はチップを縦に流れますが、GaNはシリコン基材上にGaNという特殊な構造により、電流は表面と平行に流れます。これは、GaNのチップが非常に高い電圧は処理できないことを意味しますが、一方で、ほとんど損失なく非常に高速のスイッチングができます。

GaNの利点は何ですか?

GaNウィーバー
GaNウィーバー
GaNウィーバー

GaNトランジスタは、より小型で効率的な電源ソリューションを設計するためカギとなります。技術的に言えば、損失を非常に低く抑えながら、より高いスイッチング周波数を可能にします。このように、GaNテクノロジーは、コンデンサーの削減、インダクターやヒートシンクの小型化の必要性により、システムのコストと複雑さの低減に大きく貢献します。今日、この革新的な技術は、USB-Cアダプターや充電器、EV充電器、ソーラー インバーター、テレコム整流器、サーバー電源など、私たちの日常生活の多くのアプリケーションやデバイスにすでに組み込まれています。その利点は、バッテリー寿命の延長、充電の高速化、データ通信機能の強化など、多くのユーザーにとって非常に重要です。

つまり、GaNコンポーネントは電力密度、効率、信頼性を向上させます。

日常的なアプリケーションにおけるGaN

データセンターのGaN – cool down and think small

ライフスタイルの変化、デジタル化、AIの継続的な進展により、データ量も指数関数的に増加しています。同時に、データセンターの電力消費量は大幅に増加しています。IEAによると、2022年にデータセンターは世界の総電力の約2% (=460TWh) を消費しました。そして、最新のレポート (2024年) によると、この数字は2026年までに倍増する可能性があります。重要なのは、電力はどこで必要で、何のために、どのように需要を減らすことができるかということです。

PSSデータセンター
PSSデータセンター
PSSデータセンター

データセンターは、冷却のためだけにエネルギーの最大40%を使用していることをご存知ですか? 代替エネルギー ソリューションに対する大きなニーズがあります。既存の半導体に加えて、特に新しいワイドバンドギャップ技術が重要な役割を果たします。GaN技術だけでも、全世界で年間21TWhの節約が可能です。インフィニオンのすべての技術 (Si、SiC、GaN) の影響を総合すると、48TWhという驚異的な量を節約できる可能性があります。

データセンターのGaN
データセンターのGaN
データセンターのGaN

充電器とアダプター用のGaN – 小型化、電力増加、電子廃棄物の削減

今日の通信機器用充電器は、小型でパワフル、高い信頼性が求められています。環境に優しいのは言うまでもありません! しかし、電圧変換中に失われるエネルギーについてはどうでしょうか。どうすればこれらの損失を回避できますか? その秘訣は、半導体技術を正しく理解することにあります。想像してみてください。もし世界中のすべてのスマートフォンの充電器がインフィニオンのパワーコンポーネントを使用したら、ミュンヘンのような大都市の全世帯で消費される年間電力量を節約できます。つまり、約2.3GWhを節約でき、これはCO2換算で1000トン以上に相当します。

EEキャンペーン充電器GaNグラフィックス
EEキャンペーン充電器GaNグラフィックス
EEキャンペーン充電器GaNグラフィックス

GaNの大きな可能性

  1. 充電器やアダプターの内部に内蔵された最先端のマイクロエレクトロニクスは、無駄な発熱を減らすことができます。窒化ガリウム(GaN) は特に効果的です。GaNトランジスタ コンポーネントは、電圧コンバータのスイッチング周波数を高くすると同時に、損失を非常に低いレベルに抑えることができます。簡単に言えば、GaN半導体は充電器の電気エネルギーを大幅に節約します。
  2. GaN技術により、より高い電力密度が可能になります。デバイスは、パフォーマンスや充電時間を損なうことなく小型化されます。
  3. GaNパワーステージとトランジスタは、USB-C規格を推進しています。USB-Cは、毎年11,000トンの電子廃棄物を減らすことが期待されています。
インフィニオンのGaNポートフォリオについてより深く知る

炭化ケイ素 (SiC) とは?

SiCキービジュアル
SiCキービジュアル
SiCキービジュアル

炭化ケイ素 (SiC) 半導体は、シリコン(Si)と炭素(C)からなる化合物半導体です。「従来」のシリコンと比較して、SiCの製造は非常に複雑です。SiCはカーボランダムとして自然に発生しますが、本質的に不純すぎるため、シリコンと同じように結晶を成長させる必要があります。シリコン結晶は約1500度で2日以内に1メートルの長さに成長しますが、炭化ケイ素は2400度で最大10センチメートルの長さのパックと呼ばれる生の結晶を成長させるのに最大2週間かかります。次のステップで、細いダイヤモンドワイヤーを使用して、このパックを非常に薄いウエハーに切断します。材料の約半分がこの切断と研削中に失われます。

しかし、解決策があります。インフィニオンは「コールドスプリット」と呼ばれる技術を持っています。レーザーがポリマーを塗布する「欠陥層」を形成します。冷却する過程で、半導体とそれに結合したポリマーが異なる膨張率で膨張します。これにより生じる機械的ストレスがウエハーを分割します。このプロセスはしばらく前から存在していましたが、SiCによってのみ商業的に有望な技術となりました。SiCウエハーは、Siウエハーよりも高価で非常に薄いものです。しかし、同じ性能だとSiCチップはSiよりも5倍小さくなります。したがって、ウエハーあたりの電力処理能力ははるかに大きくなります。

世界的には、SiCに関連する広範な研究が行われています。例えば、EUは「よりグリーンな経済のための欧州SiCバリューチェーン」を8,900万ユーロで支援しています。そして、それには正当な理由があります。調査会社Yoleによると、市場は2027年までに63億ドルにまで力強く成長すると見込まれています。また、SiCには特定の業界にとって特有の利点があります。

SiCの利点は何ですか?

電気自動車、電車、産業用ドライブはより消費電力が少なく、太陽光モジュールはSiCという単一の材料のおかげで、より多くの電力をグリッドに供給できます。この半導体材料は、太陽光モジュールとグリッド間、バッテリーと電気モーター間、グリッドと家庭用蓄電システム間など、直流電流と交流電流が変換される場所ならどこでもその可能性を引き出します。これらのプロセスでは、かなりの量の電気が流れます。通常、エネルギーは電力変換ごとに失われます。これをSiCによって大幅に低減できます。適用分野にもよりますが、専門家は損失を30%削減できる可能性があると見ています。これにより数MWhの節約になります。

SiC GaN
SiC GaN
SiC GaN

SiCの秘密は、その広いバンドギャップです。これは、SiCがSiよりも高い内部電界に耐えられることを意味し、より薄い半導体層をより低抵抗で使用でき、それに応じて電力損失が少なくなります。また、その堅固な結晶構造により、SiCは高温にも耐え、熱をよりよく放散します。どちらの要因も冷却作業を大幅に削減でき、CO2を大幅に節約できる可能性があります。

さらに、SiCはより高いスイッチング周波数を可能にします。この利点は、インバーターに見ることができます。これらのコンポーネントは、直流を多くの小さなポーションに「切り刻み」、交流として再組み立てします。また、スイッチング周波数が高いほど、それぞれの電流部分が小さくなり、必要な受動部品も小さくなります。

日常的なアプリケーションにおけるSiC

ソーラーインバーター
ソーラーインバーター
ソーラーインバーター
太陽光インバーター用SiC – 小型化、高出力化

SiCによって大幅な設計の小型化が可能になった顕著な例は、太陽光インバーターです。太陽光発電システム用の100kWインバーターは2008年に1トン以上ありましたが、最新の125kWユニットの重量は100キログラムをはるかに下回っています。このようなシステムは、最大99%の効率で、すでに数年前から市場に出回っています。SiCの特殊な材料特性は理想的であり、同じチップサイズの従来のシリコン半導体よりも高い電流を流すことができ、損失を大幅に低減しています。SiC半導体は、より高いスイッチング周波数を可能にすることで、インダクタなどの受動部品のサイズと重量を大幅に削減するのに役立ちます。これにより、PVインバーターの小型化が可能となり、システムコストの削減に貢献します。

つまり、インフィニオンのSiC部品は、太陽光発電所の全体的な効率の向上に貢献しています。

電気自動車用SiC - 航続距離の延長、バッテリーの小型化、充電の高速化

電気自動車のSiCは、効率の向上、電力密度の向上、性能の向上を可能にします。特に、800Vのバッテリーシステムと大容量のバッテリーにより、炭化ケイ素はインバーターの効率を高め、航続距離の延長とバッテリーコストの削減を可能にします。SiCはさらに、車載充電器の効率と電力密度を向上させます。この材料は、グリッドからバッテリーへ、またはその逆の双方向の電力の流れを可能にします。

車の充電器
車の充電器
車の充電器

SiCは、同じバッテリーサイズで車両の航続距離を延ばしたり、同じ航続距離でより小型で軽量なバッテリーを実現したりと、バッテリー管理にもプラスの影響を与えます。さらに、SiCのおかげで、それぞれのインフラストラクチャでの充電が大幅に高速化されます。さらに考えると、パワー半導体は持続可能性を促進しています。すなわち、高効率の車両は、バッテリー容量の最適化、冷却労力の軽減、ワイヤーハーネスの最適化により、重量が軽くなります。これにより、持続可能な循環型ライフサイクルが可能になり、原材料の消費量が削減されます。

つまり、インフィニオンのSiCシステムソリューションは、特にドライブ トレイン、トラクション インバーター、車載充電器において、車両の全体的な効率を向上させるのに役立ちます。

インフィニオンのSiCポートフォリオについてより深く知る