半導体といえば「Si（シリコン）」が主流ですが、最近はSiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）といった新しい材料も注目されています。
背景には、脱炭素社会の実現に向けて「電気をいかに効率良く扱うか」という課題があり、その課題解決で大きな役割を担うのがパワー半導体です。今回はパワー半導体についての理解を深めると共に、新しい材料の特徴や成長予測についてまとめてみます。
目次
パワー半導体とは？
パワー半導体は、電力の「変換」「制御」「供給」を担う電子部品です。家電からEV、再生可能エネルギー、鉄道、データセンターまで、あらゆる電気機器に組み込まれています。
- 高電圧・大電流を扱えるのが特徴
- 電力損失を抑え、省エネ・小型化・高効率化に貢献
- 代表的なデバイス：IGBT、MOSFET、SBD、HEMTなど
パワー半導体の材料もシリコンが主流だったけど、最近はSiCやGaNなどの新しい材料が実用されてきているよ。
材料に求められる4つの物性
シリコンに代わる材料には、デバイスになった時、シリコンよりも良い性能が出る事が求められます。以下4つが代表的な重要な物性です。
バンドギャップ（eV）
電子が動けない“エネルギーの壁”。値が大きいほど高温でも安定動作し、漏れ電流が少ない。
絶縁破壊限界（MV/cm）
材料が壊れずに耐えられる電界の強さ。高いほど高電圧に耐えられる。
熱伝導率（W/cm·K）
材料が熱を逃がす能力。高いほど冷却が容易で、信頼性が高い。
電子移動度（cm²/V·s）
電子がどれだけ速く動けるか。高いほど高速スイッチングや高周波動作に有利。
4つとも数字が大きい方が良いんだね！
では、パワー半導体として注目されている4つの材料の数字を、シリコンの場合と比べてみよう！
| 材料 | バンドギャップ (eV) | 絶縁破壊限界 (MV/cm) | 熱伝導率 (W/cm·K) | 電子移動度 (cm²/V·s) |
|---|---|---|---|---|
| Si | 1.1 | 0.3 | 1.5 | 約1,500 |
| SiC | 3.3 | 2.8 | 4.9 | 約980 |
| GaN | 3.4 | 3.3 | 1.3 | 約1,800 |
| 酸化ガリウム | 4.8〜5.3 | 8.0 | 0.1〜0.3 | 約300〜400 |
| ダイヤモンド | 5.5 | 10.0（理論値） | 20〜22 | 約4,500〜4,800 |
各材料の特徴と主な用途
SiC（炭化ケイ素）
特徴
- ワイドバンドギャップ（約3.3eV）で高耐圧・高温動作が可能
- 低オン抵抗・高速スイッチングにより高効率
主な用途
- EVのトラクションインバータ・急速充電器（2024年時点でSiCパワー半導体の約8割がEV向け）
- 太陽光発電用パワーコンディショナー
- 電鉄車両・産業用モーター
市場動向
- 2024年はEV販売低迷とバッテリー価格下落で伸び悩み
- EVにおけるSiCパワー半導体採用率は、2024年に10%強だったが2035年には50%を超えると予測
- 2035年には市場規模2兆9034億円と予測
ずっと注目された来たSiCが最近ようやく本格始動！
アメリカ、日本、ドイツの企業が中心だったけど、最近は中国がかなり強いよ。
GaN（窒化ガリウム）
特徴
- ワイドバンドギャップ（約3.4eV）で高速スイッチングが可能
- 高周波動作・高電力密度に優れる
- 小型化・軽量化に貢献（特にAC-DC電源）
主な用途
- AC-DCアダプタ（スマホ・ノートPCなど）
- サーバー電源（電力密度向上）
- 太陽光発電・産業用スイッチング電源
市場動向
- 2024年は量産化と価格低下で採用拡大
- 2035年には市場規模2787億円と予測
先に市場で採用されたSiCとは別の分野で、GaNの特性を生かして普及していく事が期待されているよ。
これから注目の材料だね！
Ga₂O₃（酸化ガリウム）
特徴
- 超ワイドバンドギャップ（約4.8～5.3eV）でSiCやGaNを超える高耐圧
- 単結晶育成が容易でコスト競争力がある
主な用途（予定含む）
- 民生機器、サーバー電源（SBD：2026年頃から）
- 産業用、エネルギー分野（FET：2030年頃から）
- 自動車、電装分野（高耐圧用途）
市場動向
- 日本企業が主導していて、実用化はこれから
- 2035年には市場規模149億円と予測
日本企業がリードしているというのが嬉しい！
酸化ガリウムのポテンシャルの高さは凄いね！
ダイヤモンド
特徴
- 世界最高のバンドギャップ（約5.5eV）と熱伝導率（2000W/mK）
- 高耐圧・高周波・高温動作に最適
- 物理特性は理想的だが、製造技術が未成熟
主な用途（研究・試作段階）
- 宇宙・航空機器
- 高電圧電力変換（将来的なEVや電力網）
- 高温環境下のセンサー・RFデバイス
市場動向
- 実用化は2030年代以降と予測
- 日本・欧州で研究開発が進行中（NEDOなどが支援）
今まさに未来に向けて、開発をしているところなんだ！
各材料の市場成長率
まずはパワー半導体全体の市場成長予測を見てみましょう。（参照元）
グラフの青がシリコンで作るパワー半導体。緑がSiCやGaNなどの新しい材料で作るパワー半導体だよ。
以下は新しい材料の市場成長の内訳です。
| 材料 | 2025年市場規模（見込） | 2035年市場規模（予測） | 成長倍率（2035 ÷ 2025） |
|---|---|---|---|
| SiC | 約4,558億円 | 約2兆9,034億円 | 約6.4倍 |
| GaN | 約580億円 | 約2,787億円 | 約4.8倍 |
| 酸化ガリウム | 僅少 | 約149億円 | ー |
| ダイヤモンド | ー | 数百億円規模（予測） | ー |
以上、今回は脱炭素社会の実現に向けて、注目のパワー半導体で、シリコン以外の材料についてまとめてみました。