電力系統の保護装置、核融合実験、高エネルギー加速器など、電気エネルギーをマイクロ秒単位の強力なパルスとして制御する装置では、スイッチング素子に高い耐圧性能と大電流への耐性が求められる。こうした分野では長年、シリコン（Si）が使われてきたが、材料物性に由来する性能上の制約から、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）といったワイドバンドギャップ半導体への移行が進んでいる。
さらに次世代の材料として研究が進められているのが、4.5 eVを超える広いバンドギャップを持つ「超ワイドバンドギャップ（UWBG）半導体」だ。その代表的な材料の一つが酸化ガリウム（）である。一般に、バンドギャップが広い半導体ほど絶縁破壊電界が高くなる傾向があり、より薄い半導体層で高い電圧を阻止できる可能性がある。しかし、酸化ガリウムには大きな弱点がある。熱伝導率が11〜27 W/(m·K)と低く、素子内部で発生した熱を外部へ逃がしにくいのだ。高い耐圧性能を備えていても、大電流を流すと発熱によって素子温度が急上昇するため、これまで実際の回路で実証されたスイッチング電力容量は比較的小規模な水準にとどまっていた。
香港大学を中心に、バージニア工科大学や南京大学などが参加した国際共同研究チームは、この課題に対し、半導体素子とパッケージを一体として最適化する「協調設計（Co-design）」を採用した。その結果、6個の酸化ガリウムダイオードを並列接続したモジュールで、1,000 V・1,000 Aの短パルススイッチングを実証した。研究成果は2026年3月30日付で学術誌『Nature Communications』に掲載された。研究チームによると、今回達成したスイッチング電力容量は、従来の超ワイドバンドギャップ半導体による回路動作の報告値を2桁以上上回るという。
ただし、ここでいう「1 MW」は、オフ状態で阻止できる電圧1,000 Vと、オン状態で流せる電流1,000 Aの積で定義される「スイッチング電力容量」を指す。1 MWの電力を連続して供給できる電力変換器を開発したわけでも、素子に1,000 Vが加わった状態で1,000 Aが流れることを直接実測したわけでもない。今回の成果が重要なのは、酸化ガリウムの熱伝導率そのものを改善するのではなく、短時間の通電時に生じる熱と電界の分布を制御することで、従来は難しかった大電流動作を可能にした点にある。
接合部の冷却と高誘電率界面の組み合わせで熱抵抗を半減
酸化ガリウムの熱伝導率が低いのであれば、熱の発生源である接合部（ジャンクション）を冷却基板にできるだけ近づければよい。この考え方を実装に取り入れたものが「フリップチップ実装」だ。チップを裏返して発熱部を直接接合用の銅板に近づけ、銀焼結によって直接接合銅（DBC）基板へ取り付けることで、熱が厚い酸化ガリウム基板を通過する距離を短縮できる。
しかし、高耐圧パワー半導体では、接合部を冷却基板に近づけるほど絶縁破壊のリスクが高まる。チップを接合する金属層や銀焼結層が素子の端部からわずかにはみ出すだけでも、その金属端部に電界が集中し、素子の耐圧性能が大きく低下するためだ。従来のパッケージでは、この電界集中を抑えるために金属ポストと呼ばれる柱状の電極を挿入し、素子と基板の間に距離を設けていた。ところが、金属ポストを挟むと熱が通過する経路が長くなり、熱抵抗も増加してしまう。つまり、冷却性能を高めようとすると耐圧が低下し、耐圧を確保しようとすると冷却性能が悪化するという問題があった。
研究チームは、この相反する課題を解決するため、酸化ガリウム素子とパッケージの界面に高誘電率の絶縁膜を導入した。採用したのは、膜厚300 nmのチタン酸バリウム（）である。チタン酸バリウムは155を超える比誘電率を持ち、外部電界に対して強く分極する性質がある。研究チームは、チップ周縁部に設けた傾斜型のp型酸化ニッケル（p-NiO）による接合終端延長（JTE）構造の上にチタン酸バリウムを形成し、その上から銀焼結層を配置した。
設計解析によると、金属電極の端部に集中する電界は、チタン酸バリウムの分極によって分散され、局所的な電界強度のピークが緩和される。これにより、従来は耐圧を確保するために必要だった金属ポストを熱伝導経路から取り除き、銀焼結層を接合部の近くに直接配置できるようになった。一方、熱膨張の違いによって生じる機械的応力については、モリブデン銅（Mo-Cu）ポストと銀リボン配線を組み合わせて吸収する構造を採用している。
この設計変更による冷却性能の改善は、実測でも確認された。過渡熱測定法で評価した接合部からケースまでの定常熱抵抗（）は、従来の金属ポストを用いたサブモジュールでは1.05 K/Wだったのに対し、チタン酸バリウム界面を採用したサブモジュールでは0.47 K/Wとなった。熱抵抗を半分以下に抑えながら、高い耐圧性能も確保したことになる。電界を緩和する絶縁構造をパッケージの熱設計と一体化したことが、今回の成果を支える重要な技術である。
ダブルパルス試験で1,000 Aの高速スイッチングを実証
今回の実験で使われた回路は、酸化ガリウム素子だけで構成されたインバータではない。研究チームは、市販のSiCパワーMOSFETを駆動スイッチとして使用し、あらかじめエネルギーを蓄えたインダクタを電流源とする「ダブルパルス試験回路」を構築した。この回路に酸化ガリウム素子を環流ダイオードとして組み込み、短時間の大電流通電とスイッチング時の挙動を評価している。
まず、p-NiO/n-ヘテロ接合ダイオードを用いた単一サブモジュールで試験を行った。その結果、母線電圧1,000 V、パルス幅5 µsの条件で、234 Aの電流を安定して流せることが確認された。このときの接合部温度について、論文では直接測定値ではなく、過渡熱シミュレーションによる推定値を報告している。計算上のピーク接合部温度は、234 Aで251 ℃、257 Aでは297 ℃に達した。極めて短いパルスであれば、接合部温度が250 ℃を超える条件でも動作できる可能性が示されたが、これらの温度は実測値ではない点に注意が必要だ。
続いて研究チームは、6個のサブモジュールを対称に配置して並列接続したマルチチップモジュールを製作した。各素子に接続する配線を対称にすることで寄生インダクタンスのばらつきを抑え、電流が特定の素子に偏らないように設計している。このモジュールを使い、繰り返し周波数1 kHzの条件で、1,000 V・1,000 Aの短パルススイッチングを実証した。
電流遮断時の波形から求められたターンオフ時間は、わずか23 nsだった。逆回復に伴う電流はほとんど見られず、主に接合容量に起因する小さな過渡電流が観測された。また、繰り返しパルス動作中のモジュールを赤外線サーモグラフィで観察したところ、6個の素子の間に大きな発熱の偏りはなく、電流がほぼ均等に分担されていることが確認された。定常的な繰り返しパルス動作時のケース温度は、各サブモジュールの上面で92 ℃、下面で81 ℃に達した後、安定していた。
ただし、この結果から平均変換電力や変換効率、パルス1回あたりのエネルギーを直接求めることはできない。1,000 Vと1,000 Aの積は、あくまでスイッチング電圧と通電電流に基づく電力容量の指標だ。電力網で使われる変換装置のように、大電流を連続して扱えることを意味するものではない。
データを表で見る
| 臨界ピークサージ電流 (A) | |
|---|---|
| 3.6マイクロ秒 | 856 |
| 10ミリ秒 | 65 |
実際、上のグラフが示すように、酸化ガリウム素子が耐えられる電流はパルス幅によって大きく変わる。数マイクロ秒の短パルスでは数百Aの電流を扱えても、通電時間がミリ秒単位まで延びると、限界電流は大幅に低下する。これは、酸化ガリウムが短時間の大電流制御には適している一方、長時間の通電には依然として制約があることを示す重要な結果だ。
パルス幅が長くなると浮き彫りになる熱蓄積の問題
酸化ガリウムが短パルス動作で高い性能を発揮する理由の一つは、体積比熱容量の大きさにある。体積比熱容量とは、材料が単位体積あたりに蓄えられる熱量を表す指標だ。酸化ガリウムは熱伝導率こそ低いものの、熱を一時的に蓄える能力ではシリコンやSiCに劣らない。数マイクロ秒という短時間であれば、発生した熱は結晶外部へ十分に拡散せず、その多くが酸化ガリウム自体の熱容量によって吸収される。このため、短パルス動作では低い熱伝導率の影響が比較的小さくなる。
しかし、通電時間が長くなると、熱の蓄積による温度上昇を避けられなくなる。研究チームが単一サブモジュールで実施したサージ電流試験では、パルス幅3.6 µsの条件で最大856 Aのピーク電流が記録された。ただし、856 Aの最終試験後に逆方向阻止特性を再評価したところ、漏れ電流の増加と耐圧性能の明確な低下が確認された。つまり、856 Aは試験で到達した最大値であり、素子が劣化せずに繰り返し耐えられる電流を意味するものではない。
さらに、パルス幅を一般的な電力機器のサージ耐量評価でも使われる10 msまで延ばすと、臨界ピークサージ電流は65 Aまで低下した。3.6 µsの場合と比べると、限界電流は約13分の1である。短パルスでは大電流に耐えられても、通電時間が長くなるにつれて熱が蓄積し、素子の耐量が大幅に低下することが分かる。
論文では、微分オン抵抗がほぼ等しい市販の1,200 V耐圧SiCダイオードとの比較も行われた。その結果、数マイクロ秒の短パルスや高温での過渡動作において、酸化ガリウムのサブモジュールがSiCダイオードより高い電流密度を維持できる条件が確認された。研究チームは、最適化したモジュールで1.8 MW/cm²を超える「パルス電力容量密度」を達成したと報告している。
もっとも、これをもって酸化ガリウムがSiCより全面的に優れていると結論づけることはできない。今回の比較で優位性が示されたのは、短パルス通電や高温動作といった特定の条件に限られる。長時間の連続通電や熱が蓄積しやすい動作条件では、熱伝導率の高いSiCが冷却面で有利になる。酸化ガリウムの特性を生かすには、用途に応じて通電時間や繰り返し周波数、冷却条件を適切に設定する必要がある。
また、パルスの繰り返し周波数やデューティ比（全動作時間に占める通電時間の割合）を高めると、次のパルスまでに素子の温度が十分に下がらなくなる。すると、単発パルスによる瞬間的な温度上昇だけでなく、平均接合部温度も上昇する。論文でも、酸化ガリウムの電力容量をさらに引き出すには、外部冷却機構の改善が重要だと指摘している。材料の体積比熱容量だけに頼っていては、より高密度なパルス動作への対応に限界がある。
一方、試作モジュールの信頼性評価では、高誘電率界面を採用する効果も確認された。10,000回のパワーサイクル試験において、チタン酸バリウム界面を持つサブモジュールは順方向電圧の変動が小さく、安定した特性を維持した。これに対し、比較対象となる二酸化ケイ素（）界面のモジュールでは、約1,200サイクルで順方向電圧に顕著な劣化が現れた。ただし、今回の10,000サイクル試験は試作段階での耐久性を評価したものであり、数万時間に及ぶ連続稼働や、産業用途で求められる製品寿命を保証するものではない。
今回の主な実験結果と、それぞれの測定から判断できる範囲を以下に整理した。特に、電気特性の実測値と熱シミュレーションによる推定値は区別する必要がある。また、短パルス動作で得られた結果を、そのまま連続動作時の性能として扱うこともできない。
| 評価対象 | 測定条件・駆動形態 | 主な結果 | 証拠の種類 | この結果だけでは確認できない事項 |
|---|---|---|---|---|
| 単一サブモジュール | 母線電圧1,000 V、パルス幅5 µs | 通電電流234 A、推定ピーク接合部温度251 ℃ | 電気波形の実測、熱シミュレーション | 接合部温度の直接測定値、連続通電耐量 |
| 6素子並列モジュール | 母線電圧1,000 V、遮断電流1,000 A、繰り返し周波数1 kHz | ターンオフ時間23 ns、上面ケース温度92 ℃、下面81 ℃ | 電気波形と赤外線サーモグラフィによる実測 | 連続平均電力出力、酸化ガリウム素子のみを用いた電力変換 |
| 界面材料の比較 | 接合部からケースまでの定常熱抵抗測定（） | 金属ポスト構造1.05 K/W、構造0.47 K/W | 過渡熱測定法による実測 | 長期高温動作における誘電膜の劣化特性 |
| サージ電流限界 | パルス幅3.6 µsと10 msの比較 | 3.6 µsで856 A、10 msで65 A | サージ電流試験による実測 | ミリ秒単位での大電流動作、最大サージ印加後の完全な健全性 |
| パワーサイクル耐性 | 試作モジュールへの断続的な通電ストレス印加 | 構造は10,000サイクル後も特性変化が小さい | 試作モジュールの耐久試験 | 商用規格に基づく製品寿命、連続高電界下での経年劣化 |
短パルス動作の実証から実用化へ、残された課題
今回の研究が示したのは、熱伝導率の低い酸化ガリウムでも、素子とパッケージを一体的に設計すれば、メガワット級のスイッチング電力容量を持つモジュールを構成できるということだ。材料自体の熱伝導率を改善するのではなく、電界集中を抑えながら熱抵抗を下げ、酸化ガリウムが持つ高い体積比熱容量と耐熱特性を活用した点に特徴がある。これまで主に材料や単一素子の性能として評価されてきた超ワイドバンドギャップ半導体の可能性を、複数素子を組み込んだ実際の回路動作で示した成果といえる。
研究チームは将来の応用先として、次世代電力網のサージ保護装置、パルス電磁場を利用する医療機器、粒子加速器向けの高電圧パルス電源、核融合実験装置のプラズマ加熱電源などを挙げている。これらの用途では、短時間に大きな電力を扱う性能が重要になるため、今回実証された動作特性を生かせる可能性がある。ただし、こうした応用は現時点では研究チームが示した将来の展望である。実験室で確認されたのは、SiC MOSFETを用いたダブルパルス試験回路における酸化ガリウムダイオードの動作であり、実際の産業機器への搭載が実証されたわけではない。
実用化に向けた課題の一つは、酸化ガリウム結晶の品質と高耐圧化である。大口径で欠陥密度の低い高品質な酸化ガリウムウェハーを安定して供給するとともに、より高い電圧を阻止できる厚膜・低濃度のエピタキシャル層を形成する技術が求められる。数kV以上の電圧を扱う電力システムへの応用では、結晶欠陥に起因する局所的な絶縁破壊を抑え、製造工程や素子間の特性ばらつきを管理することも重要になる。
もう一つの課題は、高温・高電界環境における長期信頼性だ。今回の研究では、250 ℃を超える接合部温度がシミュレーションで推定され、チタン酸バリウム界面を用いたサブモジュールでは10,000回のパワーサイクル試験で安定した特性が報告された。しかし、強い電界と温度変化が長期間繰り返される環境で、半導体と絶縁膜の界面がどの程度劣化するかは、さらに検証する必要がある。特に、電界集中の緩和に使われたチタン酸バリウム薄膜が、繰り返し印加される高電界の下で絶縁性能を維持できるかは、製品寿命を左右する重要な評価項目となる。
さらに、酸化ガリウムを使った能動的なスイッチング素子の開発も欠かせない。今回実証されたのは電流を一方向に流すダイオードであり、回路のオン・オフを能動的に制御する役割はSiC MOSFETが担っていた。酸化ガリウムを主役とする電力変換システムへ発展させるには、MOSFETやMESFETなどのトランジスタにも、今回と同様の熱管理と電界緩和の設計を適用する必要がある。そのうえで、ダイオードと能動素子を組み合わせたモジュール全体の性能や信頼性を検証していくことになる。
今回の成果は、酸化ガリウムの高い耐圧性能を、実際のパルス電力回路でメガワット級のスイッチング電力容量につなげた点で重要である。一方、その性能は短パルス動作という条件に大きく依存しており、連続通電や長時間の大電流動作における制約が解消されたわけではない。今後は冷却技術と長期信頼性の検証を進めながら、酸化ガリウムの特性が特に有利となる短パルス用途を見極めることが、実用化への重要な一歩となる。