コロナ禍で鉄道需要が冷え込む最中の７月１日、ＪＲ東海は東海道新幹線新型車両「Ｎ７００Ｓ」の営業運転を開始した。東海道新幹線車両としては13年ぶりのフルモデルチェンジで、さまざまな機能を向上させた。中でも駆動システムには次世代の炭化ケイ素（ＳｉＣ）パワー半導体を搭載。架線からの電力をモーター駆動用に変換する効率を向上させ、電力消費量を２世代前の７００系に対し22％、１世代前のＮ７００系およびＮ７００Ａに対して６％削減している。

　また、ＳｉＣパワー半導体は発熱が少ないため、冷却機構を簡素化し、従来のシリコン（Ｓｉ）パワー半導体搭載のＮ７００系車両に比べて、駆動システムを55％小型化し、約６００キログラム軽量化した。このＳｉＣパワー半導体のモジュールは三菱電機、東芝、日立製作所、富士電機が開発している。

　新幹線にも採用されているパワー半導体は、電子機器に電力を供給・制御するためのデバイスだ。機能としては交流を直流に、直流を交流に変換したり、電圧を下げたりする。また、バッテリーの充電にも用いられる。その際に電力のロスを少なく変換することや、高い電圧への対応などでデバイスの性能が決まる。

　自動車の電動化、電気自動車、省エネが求められる機器の効率化などで、パワー半導体の需要は年々高まっている。矢野経済研究所は、２０２０年のパワー半導体市場は、自動車用途が冷え込むことから、前年比９％減となるが、21年以降は再び成長軌道に乗ると予測している（図）。

　パワー半導体は、独インフィニオンテクノロジーズ、スイスのＳＴマイクロエレクトロニクス、米オン・セミコンダクターなどが世界の大手メーカーだが、前述の三菱電機や富士電機などに加え、ロームなど日本の半導体メーカーが健闘している領域でもある。また、材料のウエハー基板も米クリー社や米Ⅱ-Ⅵ（ツーシックス）社に続いて、住友電気工業や昭和電工などが存在感を示している。日本のものづくりの代表格である自動車や新幹線の性能向上に重要なデバイスだけに、日本メーカーも世界に伍(ご)していかなければいけない分野だ。

「ＳｉＣ」で性能向上

　現在、パワー半導体は、ロジックやメモリーでも用いられているＳｉウエハーを用いた半導体が約９割を占めている。しかし、パワー半導体としてのＳｉの物質特性には限界が指摘されている。このためＳｉよりも低損失で発熱が少ないＳｉＣや窒化ガリウム（ＧａＮ）など新しいウエハー材料によるパワー半導体の開発が進んでいる。新材料によるパワー半導体はこれから市場が立ち上がる領域であり、日本メーカーが飛躍するチャンスがある。

　新材料で先行しているのが、冒頭のＳｉＣであり、パワー半導体の約１割を占める。電気自動車（ＥＶ）やハイブリッドカー、ＥＶ用充電ステーション、鉄道車両、データセンター向けサーバー、太陽光発電用パワーコンディショナーなど、電力効率の改善が求められる分野で採用が始まっている。

　しかし期待より普及のペースは遅い。その最大の理由はウエハーの価格が高すぎることだ。直径６インチ（１５０ミリメートル）ウエハーの比較では、Ｓｉウエハーが１０００円台であるのに対し、ＳｉＣウエハーは20万円を超えるという。ＳｉＣの材料自体が高価で、インゴット（結晶の塊）の品質が良くない上に数センチメートルの厚さしか精製できない。そして材質が堅いため加工が難しく、取れるウエハーの枚数がＳｉに比べて格段に少ない。

　本格的な普及には技術革新が必要で、各社は開発を急いでいる。インゴットについては、例えばデンソーは独自のガス法を用いて、低コストかつ高品質なＳｉＣ単結晶成長法の開発に取り組んでいる。また、ウエハー加工技術に詳しいリンク社の原成利氏によると、「ウエハーの加工プロセスの簡略化や研磨時間を短縮して生産性を上げてコストを下げる取り組みを進めている」という。しかし技術の難易度は高く、需要に見合うコストを実現できていない。

　現状でＳｉＣの導入が進んでいるのは、高コストを許容できる領域だ。しかし、こうした需要に対しても供給が追い付いてないため、数少ないＳｉＣウエハーの安定確保に向けた動きが進んでいる。ＳｉＣウエハー最大手のクリー社に対しては、インフィニオンやＳＴマイクロなど大手半導体メーカーがこぞってＳｉＣウエハーの長期安定供給契約を結んでいる。また、ロームは独ウエハーメーカーのサイクリスタル社を買収し取り込んだ。ＳＴマイクロはサイクリスタルともＳｉＣウエハーの長期契約を結んでいる。こうしたウエハー確保の動きはさらに加速しそうだ。

ベンチャーも存在感

　ＳｉＣに次いで期待されているのがＧａＮだ。ＳｉＣとは耐圧の特性が異なるため、５００～６００ボルトはＧａＮ、１０００ボルト以上はＳｉＣとすみ分けが進むとみられる。特にＧａＮは急速充電用途に強みがあり、充電器の小型化や、ＥＶの充電ステーションでの普及が期待されている。ただし、製造はＳｉＣ以上に難しいとされており、ウエハーサイズも２～４インチが主流の状況だ。ＳｉＣ同様に普及にはさらなる技術開発の進展が求められる。

　将来的に期待されているのが、物質特性でＳｉＣやＧａＮを凌駕(りょうが)する酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を用いたパワー半導体だ。Ｇａ２Ｏ３はノベルクリスタルテクノロジー（埼玉県狭山市）とＦＬＯＳＦＩＡ（フロスフィア、京都市）の日本のベンチャー２社の開発が先行している。ノベルクリスタルはタムラ製作所の事業部が独立して設立され、タムラ製作所に加え、ＡＧＣや新電元工業が出資している。一方、フロスフィアには三菱重工業やデンソーが出資している。Ｇａ２Ｏ３パワー半導体が事業化した暁には、出資企業の事業への好影響が期待できる。

（編集部）