導入
パワーエレクトロニクス産業における技術進歩は、シリコンカーバイドウェーハのおかげで飛躍的に進んでいます。これらの特殊な半導体材料は、独自の特性を備えており、高周波・高電力を必要とするデバイスの製造に最適な選択肢となっています。この記事では、シリコンカーバイドウェーハ、その特性、そしてその用途について解説します。
シリコンカーバイドウェーハの特性
炭化ケイ素（SiC）ウェハーは、化合物から作られた結晶材料の薄い片です。 半導体シリコンカーバイド。半導体ウェハーを構成するこれら2つの元素は、原子が共有結合することで、非常に安定していることで知られる強固な結晶格子構造を形成します。その核心は、デバイスにおいて優れた性能を維持しながら、優れた硬度と熱伝導性を備えています。
SiC ウェハは広いバンドギャップ (約 3.3 eV) を備えているため、どのようなデバイスに搭載しても、高温・高電圧下でも最高の結果が得られます。
シリコンカーバイド（SiC）ウェハには様々な形状がありますが、主なものは4H-SiCと6H-SiCで、様々な分野、特にパワーエレクトロニクス業界で使用されています。ウェハの結晶格子構造はHで表され、結晶構造内の原子の積層順序は4と6の数字で表されます。
これらの半導体ウェハー、または基板と呼ばれることもある基板は、熱をある点から別の点へ伝達する能力に優れ、酸化に強く、効率性を高め、シリコンウェハーよりも優れています。優れた電気伝導性を誇るため、電気自動車（EV）からコンピューターチップ、航空宇宙、レーザー、LED、光受信機、ショットキーダイオード、MOSFETトランジスタ、太陽電池、集積回路に至るまで、幅広い用途に使用されています。
SiC ウェハデバイスは、標準直径が 150 ～ 200 mm で平坦性に優れているため、スイッチング速度が速く、サイズが小さく、高温と高電圧に対応できるため過熱に対する耐性が優れています。
SiCウエハーのドーピング
シリコンカーバイド（SiC）ウェハの電気特性を制御するために、ドーピングと呼ばれるプロセスが長年にわたり採用されてきました。これは、イオン注入やエピタキシャル成長中の固定ドーピングなど、様々な手法を用いてSiCウェハに不純物を導入するプロセスです。これらの様々な手法は、時間の経過とともに適切に改良され、ドーピングの活性化と濃度を制御できるようになりました。これらのドーパントには、電子豊富な窒素（n型）や、p型導電性を制御するホウ素などがあります。
SiCウェーハの種類
SiC ウェハには主に 2 つのタイプがあります。
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研磨されたSiCウェハ
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エピタキシャル結晶SiCウェハ
研磨されたSiCウェハは、高純度のSiC結晶からなる単一の炭化ケイ素ディスクで、主に高出力電子機器に使用されます。直径100mmから150mmまでのサイズで提供されています。
一方、エピタキシャル結晶SiCウェハタイプ（n型エピタキシーとも呼ばれる）は、表面に複数の炭化ケイ素結晶を積層することで形成されます。この場合、材料の厚さは厳密に制御されます。
シリコンカーバイドウェーハの特性
SiC ウェーハが優れている独自の特性には次のようなものがあります。
1. エネルギーの効率的な利用。
2. 長寿命と高頻度での動作能力。
3. 最高 200°C の温度で動作可能。
4. スイッチング損失が低い。
5. 高い熱伝導率
6. 熱膨張が低い。
7. 電子と正孔の移動度が高い。
8. 高い破壊電界。
9. 優れた耐熱性。
10. 酸化や過酷な条件に対する優れた耐性。
プライムグレードと研究グレードのシリコンカーバイドウェハの比較
シリコンカーバイド（SiC）ウェーハには、通常、プライムグレードとリサーチグレードの2種類のグレードがあります。しかし、どちらのグレードにも長所と短所があります。購入コスト、用途、密度の欠陥といった要素は、選択する際に重要な考慮事項となります。
プライムグレードシリコンカーバイドウェーハ
このタイプのウェーハは、非常に高い性能と信頼性が求められるハイエンドアプリケーションにご利用いただけます。この高純度シリコンカーバイドウェーハは、高純度と非常に低い欠陥密度を特徴としており、お客様にとって最適な選択肢です。この品質により、あらゆる条件下で非常に優れた性能を発揮し、エラーをほとんど、あるいは全く発生させません。
プライムグレードSiCウェハは、航空宇宙、ハイエンドコンピューティング、コンピューターチップ技術、エネルギー電力変換器、パワーエレクトロニクスなどの分野で非常に有用です。これらの分野では欠陥が許されないため、他の研究グレードのSiCウェハと比較して高価になります。
特性 - プライムグレードSiCウェーハ：
1. プライムグレードの SiC ウェーハの使用可能面積は通常約 90% です。
2. 欠陥密度も非常に低いです。
3. これらのウェーハのマイクロパイプ密度は 5/cm² です。
4. 約90%の均一な抵抗を示します。
5. プライムグレードの SiC ウェハーは、全体の厚さ、反り、曲がりに関して最良の値を備えているため、効率的で安定した半導体となります。
研究グレードのシリコンカーバイドウエハー
このタイプのウェハは、品質とコストのバランスが取れています。新しいアイデアやイノベーションの開発、創出、あるいは半導体プロジェクトの実験をお考えの場合は、研究グレードのSiCウェハが最適です。これらのウェハは欠陥密度が高く、ばらつきが大きいため、プライムグレードのSiCウェハほど精度は高くありません。
このウェハーは、依然として相当量の高水準の操作を提供できますが、コスト効率が高く、実験や学術研究作業などの重要度の低いプロジェクトに適したものになるように特別に作られています。
特性 - 研究グレードのシリコンカーバイドウエハー：
1. これらのウェーハの使用可能面積は約 80% です。
2. 欠陥密度も高く、マイクロパイプ密度は10/cm²である。
3. 均一な抵抗率は約 80% です。
5. 厚み、反り、反りは優れていますが、最適ではありません。
プライムグレードSiCウェハとリサーチグレードSiCウェハのどちらを選ぶべきかという点において、最適な選択肢は用途によって決まることがお分かりいただけたかと思います。例えば、新しい半導体の研究をしている大学生であれば、リサーチグレードSiCウェハが最適な選択肢となるかもしれません。しかし、ハイエンドアプリケーションの製造を目指し、エラーが最小限に抑えられるメーカーであれば、状況は異なります。
SiCウェハのさまざまな応用方法
SiCウェハの応用分野は多岐にわたります。ショットキーダイオードやMOSFETトランジスタなどのパワーデバイスをはじめ、オプトエレクトロニクス、コンピューターチップ、無線インフラ、航空宇宙・軍事用途（衛星通信システムやレーダーシステム、太陽光発電システム用インバータ、風力発電用コンバータ、水力発電プロジェクトなど）にも適用可能です。
シックハウス対策ウェーハの国際動向と市場価値
SiCウェハの現在の市場価値と世界的な動向を注意深く見てみると、SiCウェハの用途が大きな波に乗っていることがわかります。5Gが発明され、世界中で大規模に導入されて以来、SiCウェハの需要は急増しています。
2021年、SiCウェーハの市場価値は約1兆4,367億米ドルに達し、年平均成長率（CAGR）は1,911兆3,000億米ドルに達しました。2020年にはCOVID-19の世界的なパンデミックの影響で1,211兆3,000億米ドル減少しましたが、市場アナリストは2029年までに1兆4,140億米ドルを超えると予測しています。興味深いことに、北米はシリコンカーバイドウェーハ市場の主要な供給元となっており、信越化学は依然として世界最大のSiCウェーハサプライヤーです。
しかし、ここでは GGSCeramics当社は、お客様の半導体ニーズを満たすために、最高品質と手頃な価格の SiC ウェハーの優れた組み合わせを提供しています。
よくある質問
チップに半導体が使われるのはなぜですか?
半導体は、システム全体の機能を必ずしも妨げることなく、システム内の電流の流れを適切に制御できるため、チップに使用されます。
シリコン ウェハーとシリコン カーバイド ウェハーの違いは何ですか?
シリコンカーバイドウェハーのバンドギャップはシリコンウェハーの10倍です。つまり、シリコンウェハーよりも高い温度、電圧に耐えることができ、熱伝導率も優れています。
半導体ウェハーが電子機器でよく使用されるのはなぜですか?
半導体ウェハは、電気の流れを伝導すると同時に効果的に制御する性質を備えているため、電子機器で広く使用されています。そのため、電気機器内の部品間の電流の流れを制御するシステムとして容易に機能します。この特殊な特性こそが、半導体ウェハがコンピューターチップや集積回路の製造に今もなお使用されている理由です。
結論
低コストで高性能な製品を生み出し続けるシリコンカーバイドウェーハは、紛れもなく世界中の半導体産業の成長を牽引する大きな原動力となっています。パワーエレクトロニクスから航空宇宙、そして数々の驚異的なイノベーションに至るまで、その多様な用途は多岐にわたり、記録を塗り替え、新たな記録を樹立する日も近いでしょう。