パワー半導体（パワーデバイス）

パワー半導体とは？

パワー半導体は、プロセッサーやメモリなど微細化により進化が進むLSIと異なり、様々な用途の電気、電子機器の電源の制御に用いられるデバイスです。

したがって、スマートフォンやパソコンなどの小さな電流、電圧から、照明、エアコン、冷蔵庫、洗濯機などの家電、自動車など、中くらいの電流電圧、鉄道や発電所、変電所など大電流、高電圧まで幅広い範囲を扱うするため、多種多様な製品が市場に出回っています。

パワー半導体の機能

電気を使用するあらゆる機器に、パワー半導体が搭載されます。パワー半導体には、スイッチングを行うトランジスタやサイリスタ、整流を行うダイオードがあります。

パワー半導体には主に４つの使用目的があります。

1. コンバーター　　　交流から直流に変換する
2. 周波数変換　　　　交流の周波数を異なる周波数に変換する
3. レギュレーター　　直流を昇圧または降圧する
4. インバーター　　　直流から交流に変換する

ハイブリッド車、電気自動車（EV）市場の拡大に伴って、直流のリチウムイオン電池を電源として交流のモーターを駆動させるためのインバーターを始め、様々なパワーデバイスが搭載されるようになりました。

パワー半導体の種類

市場に出回っているほとんどのパワー半導体はシリコンウエハから作られています。

主に、バイポーラトランジスタ、MOSFET、IGBTの３種類があります。

１個の半導体素子のみでパッケージングしたものを個別半導体（ディスクリート）と呼んでいます。

また、大電流に対応するため複数個の素子を１つにパッケージしたものをパワーモジュールと呼びます。

次世代パワー半導体

ワイドバンドギャップ（WBG）半導体と呼ばれるシリコンよりもさらに高電圧、高周波に対応できる材料を用いたパワー半導体が開発され、一部の市場で製品化されています。

シリコンカーバイド（SiC）　高電圧、大電流向き
窒化ガリウム（GaN）　　　　高周波向き
酸化ガリウム（Ga2O3）　　　SiC,GaNよりも高いバンドギャップ

パワー半導体市場

矢野経済研究所に調査結果によると、パワー半導体の市場規模は2025年には、243億ドル、約3.3兆円に拡大すると予測されています。

パワー半導体の世界市場に関する調査を実施（2020年） | 市場調査とマーケティングの矢野経済研究所

プレスリリースパワー半導体の世界市場に関する調査を実施（2020年）

富士経済の予測では2030年に5兆円に達するとしています。

パワー半導体市場、2030年に5兆3587億円規模へ

富士経済は、パワー半導体の世界市場を調査した。電動車や再生可能エネルギーの普及などによって、需要拡大が期待されるパワー半導体市場は、2022年見込みの2兆3386億円に対し、2030年は5兆3587億円規模に拡大すると予測した。

マーケットシェアの高い順に、インフィニオン（ドイツ）、オンセミコンダクター（アメリカ）、三菱電機、東芝、STマイクロエレクトロニクス（スイス）、富士電機となっています。

そのほかの日本のメーカーでは、ローム、日立パワーデバイス、サンケン電気、新電元工業などがあります。

インフィニオン、オンセミコンダクターなど海外勢が、シリコンのパワー半導体工場の300mm化で先行しています。その動きに追従するように、日本のメーカーも300mmラインへの投資計画を相次いで発表しています。

シリコンパワー半導体の課題

デバイス構造の工夫による性能向上

プレーナ構造からトレンチ構造の微細パターンに変わり、またウエハ厚さをより薄くすることでシリコンIGBTは性能向上してきました。現在は第７世代と呼ばれる製品が市場に流通しており、第８世代が開発されています。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjws/80/4/80_285/_pdf

東芝は、トリプルゲート構造により、スイッチング損失を４割減らす技術を2021年に発表しています。

東芝がトリプルゲートIGBTを開発、3つのゲート電極でスイッチング損失を4割削減

東芝は、インバーターやDC-DCコンバーターなどの電力変換器に広く用いられているパワー半導体のIGBTについて、電力のオンとオフが切り替わるスイッチング時の損失を従来比で最大40.5％低減できる「トリプルゲートIGBT」を開発したと発表した...

大口径化

海外メーカーの動きに追従するように、日本のパワー半導体メーカーも300mm化に向けて設備投資が活発になっています。

加賀東芝に300mm量産ラインを建設する設備投資を発表しています。

300mmウエハー対応パワー半導体新製造棟の建設決定について | 東芝デバイス＆ストレージ株式会社 | 日本

東芝デバイス＆ストレージ株式会社は、加賀東芝エレクトロニクス株式会社（石川県能美市。以下、加賀東芝）構内に、パワー半導体生産のための300mmウエハー対応製造棟を新たに建設することを決定しました。市場動向を見極めながら最適な生産スペースを確...

三菱電機は、シャープから取得した福山工場に300mmライン建設する設備投資計画を発表しています。

パワー半導体に5年で1300億円投資、三菱電機

三菱電機は2021年11月9日、パワーデバイス事業の事業説明会を開催し、2025年度までの今後5年間でパワー半導体事業に1300億円を投資することを明らかにした。福山工場（広島県福山市）への12インチ（300mm）ウエハーライン新設などを予...

モジュール構造

複数のチップを１つのモジュールに搭載したモジュール製品では、絶縁体としてのセラミック基板上にチップをはんだ付けし、ワイヤボンドで配線を接続して、樹脂で埋め込む構造となっています。放熱性を確保するため放熱フィンが付けられます。ハイブリッド車、EVなど車載用IGBTモジュールにおいては、高効率で省スペースであることが求められます。デンソーのパワーカードはチップの両面を銅板で挟み込む構造により放熱性を高めています。

https://www.denso.com/jp/ja/-/media/global/business/innovation/review/16/16-doc-8-ja.pdf