2023-07-13 産業技術総合研究所
ポイント
- ワイドバンドギャップ半導体によるパワーエレクトロニクス技術のスペックロードマップを策定
- 本ロードマップ活用による先進パワーエレクトロニクス技術の普及拡大を図る
- 本ロードマップの希望者への提供を開始
ワイドバンドギャップ半導体によるパワーエレクトロニクス技術のスペックロードマップ
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）は持続可能社会の実現に向けたワイドバンドギャップ半導体によるパワーエレクトロニクス技術に必要となるスペック達成に向けたロードマップを策定し希望者への提供を開始しました。パワーエレクトロニクス技術は、パワー半導体をスイッチとして用いる技術を基本としており、電力を使いやすい状態に変えることが可能であり、各種機器の電源等に広く利用されています。これまでのパワーエレクトロニクス機器は、主にSi（ケイ素）によるパワー半導体が利用されていますが、2050年のカーボンニュートラル社会実現に向けて、より高性能なパワーエレクトロニクス技術が必要とされており、Siパワー半導体が持つ能力を大きく超えるSiC（炭化ケイ素）、GaN（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどの先進パワー半導体が注目されています。
産総研では、SiC、GaN、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体によるパワーエレクトロニクス技術のスペックロードマップをエネルギー・環境領域 先進パワーエレクトロニクス研究センターが策定し、提供します。これにより先進パワーエレクトロニクス技術の確立、産業界の要望をとらえた着実な技術移転を通じ、国内産業界の競争力強化や経済安全保障の強化を図っていきます。
開発の社会的背景
2050年のカーボンニュートラル社会実現に向けて、より高性能なパワーエレクトロニクス技術が必要とされており、Siパワー半導体が持つ能力を大きく超える性能要求があります。こうした背景から、Siに代わる新しい半導体として、SiC、GaN、ダイヤモンドなどの先進パワー半導体が注目されています。
例として、SiCとGaNのパワー半導体のスイッチング性能で説明します（図）。この図では、図の右上の範囲ほどスイッチング性能が高いことを示しています。現在のSiパワー半導体が対応可能な部分は、図中の左下に示される範囲です。この範囲を右上方向に拡大し、Siのパワー半導体では対応が難しい性能を開拓する技術として、SiCやGaNのパワー半導体の開発が進められています。現時点では、1 kV級のパワーデバイスを中心にパワーデバイスの市場流通が始まるとともに、これらのパワーデバイスを利用したパワーエレクトロニクス機器への適用が急速に進んでいますが、現時点ではSiCやGaNが持つ性能の一部しか利用できていない段階にあり、今後のパワーエレクトロニクス機器の革新には大きな開拓余地が残っています。
Siパワー半導体と先進パワー半導体のスイッチング性能比較
ロードマップ策定の経緯
先進パワーエレクトロニクス技術は、2050年のカーボンニュートラルの実現に不可欠です。しかし、実際に温室効果ガスの排出削減を達成するためには、目標年に当該技術が揃うのでは意味がなく、目標年の段階で当該技術を使った機器が広く世の中に普及し、実際に温室効果ガスの削減効果を得ている必要があります。すなわち、目標達成には、「技術の開発」→「産業界への技術移転・量産化」→「製品の普及」といった展開に要する時間を考慮する必要があります。そのため、全体を見通したロードマップが必要であり、今回策定することとしました。
ロードマップの内容
パワーエレクトロニクス技術は、主に「ウェハ」、「パワーデバイス」、「実装・パワーモジュール」に大別され、それぞれの技術分野で対応する業界が異なっています。こうした観点から、「ウェハ」、「パワーデバイス」、「実装・パワーモジュール」の3分野のロードマップを策定しました。また、社会実装の加速化を考える上では、上述の3分野それぞれに、生産プロセスの改善や適用範囲拡大に向けた新規技術の導入なども求められているので、これについても記載しました。先進パワー半導体が有する高性能を生かすためには、周辺材料や周辺回路部品の改善努力も必要となります。実際、先進パワー半導体の優れた性能を享受できるパワーエレクトロニクス機器を実現しようとすると、周辺材料や周辺回路部品の能力が不足していて、先進パワー半導体の能力を利用できない場合も多いです。こうした観点から、3分野のロードマップに加え、周辺技術に関する技術要望を整理した表も作成しました。
今後の予定
SiC、GaN、ダイヤモンドといった先進パワー半導体を用いる先進パワーエレクトロニクス技術の確立、産業界の要望をとらえた着実な技術移転を通じ、国内産業界の競争力強化や経済安全保障の強化を図ります。また、先進パワーエレクトロニクス機器の普及拡大を通じて、クリーンエネルギー戦略への貢献を図るとともに、世界レベルでのカーボンニュートラル化、エネルギー安全保障の強化を進めていきます。
ロードマップの提供請求
ロードマップの提供を希望される方は、下記URLに進み、必要事項を記載の上、お申し込みください。
用語の説明
- ◆パワー半導体
- 高電圧・大電流を扱うことができるダイオードやトランジスタなど。
- ◆スイッチング性能
- パワーエレクトロニクス用途のパワー半導体における重要性能の一つで、パワー半導体が扱うことができるon/offの能力を示す。スイッチング周波数は、1秒間当たりのパワー素子のon/off回数を示し、値が大きいほど高速に動作する性能に優れ、電力の制御性能が良いことを意味する。スイッチング容量は、当該スイッチが扱うことができる電圧と電流の積を示し、値が大きいほど大容量の電力を扱う性能に優れることを意味する。なお、現実のパワー半導体では、スイッチング周波数とスイッチング容量の間にトレードオフ関係が存在し、両立が困難である点には注意が必要である。
本件問い合わせ先
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
先進パワーエレクトロニクス研究センター
