次世代の電力社会を担う「SiCパワー半導体」が、鉄道車両用インバーターで実用化

快走、省エネ急行

東京都の新宿区と神奈川県の小田原市を結ぶ小田急電鉄には2014年から、画期的な省エネ性能を誇る通勤車両（1000形）が走っています。1988年デビューの車両をリニューアルしたもので、一見、在来車と変わりなく見えますが、その秘密は床下のインバーター装置にあります。

パワー半導体とは？
Siに代わる半導体素材とは？

このように半導体を使用して電力を制御する技術を「パワーエレクトロニクス」と呼びます。電力のオンとオフの時間割合をパワー半導体で変化させ、モーターなどの電気機器を制御します。電車の例では、パワー半導体でモーターのスイッチのオン・オフ間隔を細かく変化させて回転数を制御し、加速や減速を行います。

そうした仕組みゆえパワー半導体（電力制御用に必要な高電圧や大電流に対応できる半導体素子）は、①通電時の抵抗が低いこと、②スイッチング動作が速いこと、③スイッチング動作の耐久性が高いことの三つが、性能を大きく左右する条件となっています。そして、この条件を兼ね備えた材料として、この数十年間、重宝されてきたのが「Si」（ケイ素）でした。

周知のとおりSiは、資源が豊富である上に加工や制御もしやすく、パワー半導体だけでなくコンピュータ向け半導体にも汎用的に使われています。しかし、パワー半導体はその進化とともに、数千ボルト、数千アンペアという大電力も扱うようになり、加えてより微細に、より効率的に電力を制御することも必要になりました。

また、パワー半導体は、スイッチング動作を行う電力消費に加え、電力を流した際に一部が熱になることでも電力損失が生じます。この損失を抑えるために半導体の構造を見直すなどの改良が重ねられてきました。

しかし、Siパワー半導体では物理的な限界から、これ以上の損失改善が困難なところまできていました。こうした理由から、新世代のパワー半導体の出現が待ち望まれてきました。

そこでSiよりも電気を通しやすく、電力損失が発生しにくい新しい材料でパワー半導体を製造することが検討されました。その候補の一つが「SiC」（炭化ケイ素）でした。SiCはパワー半導体に適した特性を数多く備えるものの、ウエハ製造の難しさ、コスト高という難点があり、その課題解決がSiに取って代わるには不可欠でした。

NEDOでは課題を解決し、より高性能なパワー半導体を実用化・事業化しようと考え、SiCパワー半導体の研究開発プロジェクトを1998年度から開始しました。

基礎研究と要素技術開発で、
「SiCパワー半導体」実用化の研究基盤をつくる

SiCパワー半導体関連の研究開発は、国内では1970年代後半から地道に進められてきていました。

産業技術総合研究所（産総研）先進パワーエレクトロニクス研究センター長の奥村元さんは、「1990年代初頭、米国の新興企業からSiCウエハが発売され、日本でも研究加速の機運が高まってきました。そして1990年代中頃には、SiCがパワー半導体材料として有効なことも明確になってきました」と研究開発の歴史を振り返って説明します。

そして、SiCパワー半導体実用化を目指すナショナルプロジェクトが1998年から本格始動しました。その端緒となる1998年度から2002年度にかけてのNEDO「超低損失電力素子技術開発」プロジェクトでは、大口径かつ高品質のウエハ製造技術の確立を研究開発目標としました。

同プロジェクトでは、直径4インチのインゴット実証及び直径2インチの高品質インゴット製造技術の確立に成功しました。奥村さんは、「当時の研究はまだ基礎的なものでしたが、SiCパワー半導体の技術開発が大きく動き出す契機になりました」と言います。

続く2003年度から2005年度にかけての「エネルギー使用合理化技術実用化開発」プロジェクトでは、「SiCウエハ」を用いたパワー半導体の試作が行われました。

MOSFETにこだわり続け、
SiC適用インバーターの実用化を目指す

一方、後にSiCパワー半導体適用インバーターの製品化にいち早く成功する三菱電機株式会社も、1990年代からSiCパワー半導体実用化に向けて研究開発に取り組んでいました。

同社先端技術総合研究所の大井健史さんは、「Siパワー半導体の改良に限界が迫る中、新材料を用いたパワー半導体の開発が必要と認識し、SiCパワー半導体の研究に着手しました。NEDOプロジェクトを中心に日本では、『MOSFET』開発にこだわり続けてきましたが、これは民間企業単独でできる挑戦ではなかったと思います」と当時を振り返って話します。

「MOSFET」とは、“Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”（金属酸化膜-半導体電界効果トランジスタ）のことです。トランジスタは半導体内の自由電子や正孔の動きを利用して電気的増幅を行うもので、従来は、電荷の運び役にそれぞれ正孔と電子が使われるｐ型・ｎ型半導体が接合した「絶縁ゲートバイポーラトランジスタ」（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）が、主に使われてきました。

大井さんは、「1990年代のMOSFETでは、酸化膜の界面部分に品質的な課題があり、またMOSFETで最も重要なチャネル特性にも問題がありました。そのため欧州ではもっぱらMOSFETは、ものにならないと言われていましたが、日本はMOSFETの実用化をあきらめませんでした」と話します。

以降、MOSFETを前提にSiC適用インバーターの開発が進んでいきます。1998年からのNEDOプロジェクトでは、三菱電機は主にSiCを材料にしたパワー半導体を開発し、さらに実証する役割を担っていました。

なかでも1998年度からの「超低損失電力素子技術開発」プロジェクトの意義は大きく、大井さんは、「パワー半導体を開発するという視点が明確になったのはこのプロジェクトから。インバーターにSiCを使ったらどうなるかと、実証していきました」と話します。