導入
シリコンカーバイド（SiC）半導体は、半導体業界においてますます注目を集めるようになりました。かつて半導体の主なベース材料はシリコンでしたが、シリコンカーバイド（SiC）の導入以降、半導体は機能効率、耐久性、そして効率性においてより優れたものとなっています。
この記事では、シリコンカーバイドとは何か、そしてなぜそれが最近半導体産業の主要な要素となったのかについて、わかりやすく説明しています。
シリコンカーバイド（SiC）とは
炭化ケイ素（SiC）は、主に製造業において発熱体の製造に用いられるセラミック材料です。この半導体材料の商標名はカーボランダムです。この材料が製造に用いる部品には、以下のようなものがあります。 セラミック材料 るつぼ、バーナーノズル、スライドベアリングなどの製造に使用されます。
SiCから製造される他の部品には、摩耗部品、シーリングリング、熱交換器、焼結助剤などがあります。では、「なぜ最近半導体にSiCが採用されているのか？」という大きな疑問にお答えしましょう。それは、炭化ケイ素（SiC）半導体が電子移動度と熱伝導率に優れ、電力損失も低いからです。
SiCドーピング
SiCと他のワイドバンドギャップ半導体材料を比較すると、SiCはより高濃度のワイドバンドギャップドーパントを扱えることがわかります。イオン注入やin-situドーピングによって、この可能性がかなり高いことはご存じでしょうか。
SiCのドーピングには、ほとんどの場合、リンや窒素などのドナー型不純物が用いられます。ガリウム、ホウ素、アルミニウムなどのアクセプター型不純物も、電気伝導性を高めるためによく使用されます。SiC格子において、窒素は炭素を、シリコンはホウ素、アルミニウム、リンに置換されます。
SiCは窒素をドープするとn型半導体になります。一方、ホウ素、アルミニウム、リンをドープするとp型半導体になります。この半導体材料の格子定数は、ドープ密度とドーパントの種類によって変化する傾向があります。
格子定数の変化を引き起こすもう一つの要因は、結晶形成を可能にする温度です。SiCに窒素をドープすると、格子定数の収縮が観察されます。一方、アルミニウムをドープした場合は、通常、格子定数の膨張が見られます。
ドーピングによる格子不整合によって生じる格子応力は重要な要素です。特にデバイス製造、特にヘテロ構造形成の段階で顕著になります。
炭化ケイ素（SiC）の特性
炭化ケイ素は、最も硬く、最も軽いセラミック材料です。シリコンと炭素を結合させた化合物で、酸や苛性アルカリに耐性があります。さらに、SiCは化学的、機械的、熱的特性に優れており、半導体材料として最適です。
これらの特性には、固有のボディダイオード（MOSFETデバイス）、高いエネルギー効率、低いスイッチング損失と電力損失、そして低い熱膨張率が含まれます。さらに、優れた耐熱衝撃性、そして約200℃で動作可能な高い動作温度と周波数も備えています。
さらに、優れた熱管理特性を備えているため、冷却要件を軽減できます。これらの特性により、SiCダイオードとトランジスタは、その効率性と信頼性を損なうことなく動作することが可能になります。
半導体におけるシリコンとシリコンカーバイドの比較
シリコンカーバイド半導体がシリコン半導体に対して持つ利点の一つは、電界破壊強度です。SiC半導体の電界破壊強度はシリコン半導体の10倍です。そのため、シリコンカーバイドを用いた半導体は、高出力デバイスに求められる極めて高い電圧を構成できます。
SiC半導体は、ドリフト層が薄く、不純物濃度が高いという特性を持っています。これらの特性により、600Vから1000Vを超える電圧まで対応可能です。さらに、SiC半導体は単位面積あたりのオン抵抗が非常に低く、この低いオン抵抗が高電圧への耐性を支えています。
さらに、シリコンカーバイド半導体の面積あたりのドリフト層抵抗は、シリコン半導体と比較して300分の1に低減できます。これは、同じ電圧レベルに曝露された場合の抵抗値です。通常、シリコン半導体は、オン抵抗の増加を最小限に抑えるために、IGBTのように少数キャリアでサポートする必要があります。
しかし、これらの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）をシリコン半導体のキャリアデバイスとして使用すると、スイッチング損失が増加し、結果として発熱が増加し、高周波動作が制限されます。
一方、SiC半導体は、高電圧に耐えるために多数キャリアデバイス（MOSFETとショットキーバリアダイオード）を採用しています。オン抵抗が低いため、高速デバイスの構築が容易で、高電圧に耐えながらも高速動作を実現します。
シリコンカーバイド半導体は、シリコン半導体の3倍の広いバンドギャップを有しています。これにより、パワーデバイスはより高温で動作できるようになり、適用範囲が大幅に拡大します。
SiC半導体の用途
シリコンカーバイド半導体は、高効率・高出力アプリケーションで使用されるモジュールの電源として使用できます。FET/MOSFETトランジスタやショットキーダイオードなどのシリコンカーバイド半導体は、バッテリー充電器、コンバータ、モーター制御システム、インバータなど、ほとんどの電源デバイスの構成要素です。
シリコンベースの半導体の耐電圧は900Vです。しかし、SiC半導体ではそうではありません。両者の違いについて興味はありますか？
シリコンカーバイド半導体は10kVもの高電圧に対応できます。さらに、スイッチング損失が低いため、高い動作周波数に対応でき、より高い効率を実現できます。
インバータやコンバータにSiC半導体を採用することで、システム損失を約50%削減できます。また、システムサイズは300%、システム全体コストは20%削減されます。このようにシステムサイズを縮小できることは、スペースが重視されるアプリケーションにおけるSiC半導体の有用性を際立たせています。
現在のシリコンカーバイド市場の動向
SiCデバイスの製造は目覚ましい進歩を遂げています。これは、SiC基板の品質と、炭化ケイ素の利用を容易にするエピタキシープロセスに顕著に表れています。研究者たちは、マイクロパイプやシミといったSiC基板の欠陥を修正するための積極的な取り組みを行っています。
修正が必要なその他の基板欠陥としては、SiCデバイスの性能を低下させる結晶積層欠陥、表面パーティクル、スクラッチなどが挙げられます。これらの欠陥密度の上昇は、SiCウェハの大面積化においても一貫した基板品質を維持するための取り組みによって抑制されています。
しかし、これらの進歩を実現することで、SiC半導体をはじめとするSiCデバイスの品質、信頼性、そしてコスト効率が向上し、SiC市場には様々な成長機会が生まれます。SiCデバイスと技術のさらなる進歩は、ウェーハの大面積化へと移行していくことを意味します。
さらに、より大きなウエハーの開発は、高出力用途におけるSiCデバイスの採用と応用の増加を示唆している。 パワーエレクトロニクス およびアプリケーション。また、EV/HEVパワートレインにおけるSiC MOSFETの需要がさらに増加する可能性も秘めています。
炭化ケイ素の用途
このセラミック材料の応用分野についてお悩みなら、もう探す必要はありません。SiCはその硬度の高さから、幅広い用途に適しています。半導体以外にも、電気自動車、電子機器、光子工学、航空宇宙、軍事など、幅広い分野で活用されています。
炭化ケイ素（SiC）部品が従来の分野にも応用されていることをご存知ですか？研磨材、切削工具、耐火物など、様々な用途があります。SiCは、以下の分野でも重要な役割を果たしています。 自動車部品 - ブレーキとクラッチ。
防弾チョッキやボディアーマーを製造していますか？軍事分野に貢献できる高品質なSiC素材を、当社のウェブサイトで見つけてください。宇宙放射線に対する耐性を持つ炭化ケイ素は、航空宇宙産業に最適な素材です。
SiCはロケットノズルの製造にも使用されていることをご存知でしょうか。ロケットの推進中、ノズルは通常、高熱にさらされます。もし材料が熱を吸収できなければ、動作全体が失敗に終わります。
SiCは再生可能エネルギーシステムのエネルギー効率向上にも利用されています。また、SiCベースのデバイスは高出力RFアプリケーションにも使用されていることも知っておく必要があります。
テクノロジー業界では、特に5G技術の開発を中心に、多くの進歩が期待されています。5Gネットワークがシームレスに機能するには、高周波数で動作する高出力RFアプリケーションが必要です。
したがって、5G テクノロジーの採用が拡大すると、シリコンカーバイドの需要が増加することに気づくはずです。
シリコンカーバイドの市場価値
最高品質の炭化ケイ素をはじめ、多孔質セラミックや繊維セラミック材料は、 GGSceramicsSiCの価格は、粒度、種類、メッシュ、数量、市場状況など、様々な要因によって決まります。しかしながら、当社で炭化ケイ素をご購入いただければ、その価格に見合う価値をご提供いたします。お気軽にお問い合わせください。
よくある質問（FAQ）
SiC は高周波において IGBT より優れた性能を発揮できますか?
はい。SiCは高周波において絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）よりも優れた性能を発揮します。IGBTはかつて、シリコン半導体のオン抵抗の上昇を抑えるために、マイナーキャリアとして利用されていました。しかし、研究者が炭化ケイ素（SiC）半導体がもともと低いオン抵抗特性を持つことを発見したことで、SiCへの切り替えが行われました。
SiC が高電圧に対応できるのはなぜですか?
シリコンカーバイド半導体が高電圧に耐えられる理由は、その電界破壊強度にあります。シリコン半導体の電界に対する絶縁破壊強度と比較すると、SiCデバイスの強度は10倍高く、600Vから1000ボルトを超える高電圧に耐えることができます。
SiC の逆回復時間は Si と比べてどうですか?
SiC MOSFETのボディダイオードは逆回復時間（trr）が非常に速く、その値は無視できるほど小さいです。エネルギー損失（Err）もSi MOSFETに比べて大幅に低減されています。
結論
SiC半導体は半導体業界において急速にゲームチェンジャーとなりつつあり、このトレンドに早く適応すればするほど、そのメリットを早く実感できるでしょう。SiCは他にも多くの利点があり、シリコン半導体に比べて耐熱性に優れているため、より信頼性の高い材料として活用できます。