ワイドバンドギャップ半導体入門
目次
従来の半導体よりも大きなエネルギーギャップ（Eg）を持つ半導体は、通常2eVを超える範囲で、ワイドバンドギャップ半導体（WbG）と呼ばれている。
これに比べ、一般的に使用されている半導体であるSiとGaAsのアンドギャップは、それぞれ1,1eVと1,43eVである。 これらの半導体が開発されたのは、半導体技術を光操作や高出力・高周波デバイスにまで拡張する必要があったからである。
WBGSのほとんどは、その構造とユニークな特性で本質的に知られている。 優れた特性を持ち、欠陥濃度が低く、化学量論的に制御された材料を合成するために、様々な成長技術が開発されてきた。
WBGSは、従来の半導体と絶縁体の中間に位置する電子特性を持ち、シリコンやガリウムヒ素のような従来の半導体材料よりもはるかに高い電圧、周波数、温度で動作することができる。
WBGSは、短波長（緑～紫外）LEDやレーザー、軍事用レーダー、特定の無線周波数アプリケーションなど、幅広い用途で使用されている。
また、通常の動作条件下でより高い電力レベルを扱うことができる電力変換アプリケーションにも使用されている。
さらに、WBGSはソリッドステート照明にも使用でき、1ワット当たり20ルーメン以下の発光効率を持つ照明を提供するために必要なエネルギー量を削減できる可能性がある。
WBGSを使用したLEDの効率は、1ワットあたり160ルーメンのオーダーである。
WBGSのエネルギーギャップは、高バンドギャップIII族（Al、Ga、In）およびV族（N、P、As、Sb）原子を用いて調整することができる。 III-V族3元および4元合金、II-VI族化合物半導体の形成。
バンドギャップが広いため、電荷キャリアの熱的発生が減少し、WBGSは300℃や900℃といった高温での動作が可能になる。
高耐圧と高ドリフト速度により、従来の半導体に比べて高いスイッチング周波数（>20 kHz）と高電圧・高電流での動作が可能である。
最も一般的なWBG材料にはダイヤモンドと炭化ケイ素（SiC）があり、高出力デバイスの主要な選択肢となっている。
これらの材料は、高温および電力スイッチング用途、固体照明、無線周波数（RF）信号処理など、さまざまな用途で使用されている。
WBGSは また、自由電子速度が速いため、より高いスイッチング速度で動作し、無線アプリケーションで価値を発揮する。
1台の WBGデバイスで完全な無線システムを構築できるため、信号と高周波コンポーネントを別々に用意する必要がなく、高い周波数と電力レベルで動作する。
WBGSは、数多くの電子およびオプトエレクトロニクス領域で応用されている（図2）。
ワイドバンドギャップ半導体の応用
ワイドバンドギャップ半導体の電子応用
- パワーエレクトロニクス：
- ワイドバンドギャップ・デバイスは、コンバーター、インバーター、モーター・ドライブにおいて、より高いエネルギー効率、電力密度、より高い動作温度を可能にする。
- コンピューティング：
- ワイドバンドギャップ・トランジスタの高速スイッチング能力は、コンピューティング性能を向上させる。
- RF回路：
- 無線通信システムには、高周波動作と効率的な電力処理が不可欠である。
- データ変換回路
- アナログ-デジタルおよびデジタル-アナログ・コンバータの速度と精度が向上。
- フラッシュメモリー：
- ワイドバンドギャップ・メモリ・デバイスは、より速い読み出し・書き込み速度、より長い寿命、より低い消費電力を示す。
- センサーインターフェース：
- ワイドバンドギャップ・デバイスは、センサーの感度とインターフェース能力を向上させる。
ワイドバンドギャップ半導体の光電子応用
- イメージング
- ワイドバンドギャップデバイスは、科学、医療、産業用途の高解像度・高感度イメージングシステムを可能にする。
- 光通信：
- 高速で効率的な光デバイスは、現代の通信ネットワークにおけるデータ伝送に不可欠である。
- 光センシング：
- ワイドバンドギャップ光検出器は、環境および産業用モニタリングに正確で信頼性の高いセンシングソリューションを提供します。
- データ変換回路
- アナログ-デジタルおよびデジタル-アナログ・コンバータの速度と精度が向上。
- バイオメディカルイメージング：
- 高品質の画像機器は、医療診断や研究の進歩に貢献している。
- フォトニック集積回路：
- ワイドバンドギャップ材料は、データ処理と通信のためのコンパクトで効率的な光回路を可能にする。
- ディスプレイ技術：
- ワイドバンドギャップデバイスの採用により、色精度と解像度が向上したエネルギー効率の高いディスプレイが実現する。
エネルギーギャップと素材の選択を調整する
WBG材料ベースの実装は、従来のシリコンベースのものよりも多い。
上の図に示された用途以外にも、太陽光発電ソリューション、単相ストリング・インバータ、三相ストリング・インバータ、風力発電の利用、補助電源、コア電源、ホットスワップ、サーバー・ラック電源などの用途がある。
その他の用途としては、電気自動車（EV）補助電源、トラクション・インバーター、EV充電、スターター・ジェネレーター、車載充電器などの輸送電化ソリューションがある。
熱分析技術と装置
熱分析技術は、WBG材料の熱挙動を理解し、電子デバイスにおける最適な性能を確保するために極めて重要である。
研究者やエンジニアは、パワーエレクトロニクス、RF、パワーデバイス、バッテリーなど、さまざまな用途のWBGデバイスを開発し、最適化することができる。
WBGSの分析に使用される熱分析技術には以下のものがある：
- 熱抵抗測定
- 熱伝導率測定
- 熱境界抵抗測定
- 熱管理とパッケージング
リンゼス熱分析では、WBGSの熱伝導率/抵抗率の分析、および熱電材料の分析のためのさまざまな装置を提供しています。
これらの装置は、研究および品質管理における材料分析用に設計されており、化学、自動車、ポリマー、エレクトロニクスなど様々な産業で使用されている。
リンゼイの具体的な熱分析製品には次のようなものがあります：
- 熱伝導率計：
- これらの測定器は、熱伝導率、熱拡散率、または比熱容量のような熱伝導特性を測定し、WBGSの熱または温度の貯蔵および伝達能力に関する情報を提供します。
リンゼスでは、WBGSの調査用に以下のような幅広い熱伝導率測定器を取り揃えています：- レーザーフラッシュアナライザー(LFA)および トランジェントホットブリッジ(THB)法により 熱拡散率熱拡散率、熱伝導率比熱容量の決定 を高精度で求めることができます。
- 薄膜レーザ周波数アナライザ（TF-LFA）とおよび 薄膜アナライザー(TFA)は、μmからnmの薄膜の熱拡散率と熱伝導率を測定するために設計されています。
- これらの測定器は、熱伝導率、熱拡散率、または比熱容量のような熱伝導特性を測定し、WBGSの熱または温度の貯蔵および伝達能力に関する情報を提供します。
- 熱電アナライザー：これらのデバイスは、電気抵抗率、ゼーベック係数、ZT値、ホール係数を測定し、電気伝導度、電荷キャリア濃度、移動度に関する情報を提供します。
これらの試験装置には、リンゼス LSR-1, LSR-3(ゼーベック・比抵抗計)および HCSシリーズ (ホール特性測定システム）。
まとめと結論
まとめると、WBGSは自由電子速度が速いことが多く、電子デバイスの性能に大きな影響を与える可能性がある。 バンドギャップが広いため、より高い電圧、周波数、温度での動作が可能であり、また通常の動作条件下ではより高い電力レベルを扱うことができる。
軍事、無線、電力変換、固体照明など、幅広い用途で利用価値が高い。
引用
- ジョシュ・ペリー、パワーエレクトロニクスにおけるワイドバンドギャップ材料の冷却 2018年6月15日
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Wide bandgap semiconductor based
integrated circuits.Chip 2, 100072 (2023). - マリア・カティキニ、ワイドバンドギャップ材料、半導体のX線吸収分光、2015年、第190巻。 ISBN: 978-3-662-44361-3.
- Yuan Qin, etal. ワイドバンドギャップおよび超ワイドバンドギャップパワーデバイスの熱管理とパッケージング：レビューと展望 J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp).
- ワイドバンドギャップ・デバイスの応用に関するアヌシュリー・ラマナート氏の技術論文（2021年12月30日号）。
