パワー半導体

Power semiconductors are semiconductor devices that are widely used in power electronics as switches or rectifiers, such as in switch-mode power supplies. These devices are designed for "commutation mode" usage, meaning they are either on or off and optimized for this usage. Linear power circuits, on the other hand, are used for voltage regulators, audio amplifiers, and radio frequency amplifiers.

The invention of the MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) by Mohamed Atalla and Dawon Kahng at Bell Labs in 1959 was a breakthrough in power electronics. MOSFET transistors enabled power designers to achieve performance and density levels not possible with bipolar transistors. Due to improvements in MOSFET technology, the power MOSFET became available in the 1970s.

In the late 1960s, Hitachi introduced the first vertical power MOSFET, which was later known as the VMOS (V-groove MOSFET). From 1974, Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony, and Toshiba began manufacturing audio amplifiers with power MOSFETs. International Rectifier also introduced a 25 A, 400 V power MOSFET in 1978, which allowed for operation at higher frequencies than a bipolar transistor, but was limited to low voltage applications.

The Insulated-gate bipolar transistor (IGBT) was developed in the 1980s and became widely available in the 1990s. This component has the power handling capability of the bipolar transistor and the advantages of the isolated gate drive of the power MOSFET.

SiC (Silicon Carbide) wafers, which have over eight times the dielectric strength of silicon wafers, and superior performance in terms of thermal conductivity and power conversion efficiency, are becoming more widely used in power electronics. However, the majority of SiC wafer manufacturing, which accounts for approximately half of the cost of wafer manufacturing, is dominated by a few companies such as Wolfspeed, II-VI, and SiCrystal (a subsidiary of Rohm). To increase production volume, these companies are actively investing, but currently, the US dominates the SiC wafer industry. Stable SiC wafer supply and cost are critical factors for the power electronics industry.

While silicon-based devices still dominate the market, the increasing adoption of SiC wafers and devices is expected to continue in the future. With the continuous development of power electronics, new semiconductor materials and device structures may emerge to meet the demands of future applications.

パワー半導体は、スイッチング電源などのスイッチや整流器として、パワーエレクトロニクス分野で広く使用されている半導体デバイスです。これらのデバイスは、オンまたはオフのいずれかを意味する「コミュテーションモード」での使用を想定し、この用途に最適化されています。一方、リニア電源回路は、電圧レギュレーター、オーディオアンプ、高周波アンプなどに使用されている。

1959年、ベル研究所のモハメド・アタラとダウォン・カーンによるMOSFET（金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ）の発明は、パワーエレクトロニクスにおけるブレークスルーとなった。MOSFETトランジスタは、バイポーラトランジスタでは不可能だった性能と密度を実現することができた。MOSFETの技術向上により、1970年代にはパワーMOSFETが利用できるようになった。

1960年代後半、日立製作所は、後にVMOS（VグルーブMOSFET）と呼ばれる縦型パワーMOSFETを初めて発表した。1974年からは、ヤマハ、日本ビクター、パイオニア、ソニー、東芝がパワーMOSFETを搭載したオーディオアンプを製造し始めた。インターナショナル・レクティファイア社も1978年に25A、400VのパワーMOSFETを発表し、バイポーラトランジスタよりも高い周波数での動作が可能になったが、低電圧用途に限定された。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）は1980年代に開発され、1990年代には広く普及した。この部品は、バイポーラトランジスタの電力処理能力とパワーMOSFETの絶縁ゲート駆動の利点を併せ持っています。

SiC（炭化ケイ素）ウェーハは、シリコンウェーハの8倍以上の絶縁耐力を持ち、熱伝導率や電力変換効率などの性能に優れているため、パワーエレクトロニクスに広く使われるようになってきた。しかし、ウェーハ製造コストの約半分を占めるSiCウェーハの製造は、ウォルフスピード、II-VI、SiCrystal（ローム社子会社）など一部の企業が大半を占めている。生産量を増やすため、これらの企業は積極的に投資を行っているが、現状では米国がSiCウエハーの業界を支配している。SiCウエハーの安定供給とコストは、パワーエレクトロニクス産業にとって重要な要素である。

シリコンベースのデバイスは依然として市場を支配しているが、SiCウエハーとデバイスの採用が増加していることは、今後も続くと予想される。パワーエレクトロニクスの継続的な発展に伴い、将来のアプリケーションの要求を満たすために、新しい半導体材料やデバイス構造が出現する可能性があります。