SiCは半導体材料として優れた特性を持ち、特に電力変換や制御に使用される電力部品に適しています。従来のシリコンデバイスと比較して、低オン抵抗、高速スイッチング、高温・高電圧動作を実現できるため、電源、自動車、鉄道、産業機器、家庭用電子機器などで広く普及しています。SiCは人工合成によって製造できるようになりましたが、その製造プロセスが非常に困難であったため、SiCパワーコンポーネントの量産は研究者にとって大きな課題でした。

※炭化ケイ素（SiC）とは何ですか？

炭化ケイ素は、炭素とケイ素の元素から構成される化合物半導体材料である。炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム（ALN）、酸化ガリウム（Ga2O3）などは、バンドギャップ幅が2.2eV以上であるため、総称してワイドバンドギャップ半導体材料と呼ばれています。中国では、これらは第三世代半導体材料とも呼ばれています。

材料面から見ると、半導体産業は以下のように分類されます。

第一世代の元素半導体材料：シリコン（Si）やゲルマニウム（Ge）など。

第二世代化合物半導体材料：ガリウムヒ素（GaAs）、インジウムリン（InP）など。

第三世代のワイドバンドギャップ材料：炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム（ALN）、酸化ガリウム（Ga2O3）など。

中でも、炭化ケイ素と窒化ガリウムは、現在最も商業的な将来性が明るい半導体材料であり、半導体産業における新世代の「黄金の道」と呼ぶことができる。

炭化ケイ素が歴史上初めて発見されたのは1891年のことでした。アメリカのアチソンがダイヤモンドを電気分解している際に炭素化合物を発見したのです。これが炭化ケイ素の最初の合成と発見でした。100年以上にわたる研究を経て、特に21世紀に入ってからは、人類はついに炭化ケイ素の利点と特性を解明し、その特性を利用して様々な新製品を開発するようになりました。炭化ケイ素産業は急速に発展を遂げています。

従来のシリコン材料と比較すると、炭化ケイ素のバンドギャップはシリコンの3倍、熱伝導率はシリコンの4～5倍、絶縁破壊電圧はシリコンの8倍、電子飽和ドリフト速度はシリコンの2倍である。炭化ケイ素は、その様々な特性から、高温、高電圧、大電流に耐えることができる高周波・高出力デバイスの製造に特に適している。

現在、炭化ケイ素の結晶構造には約200種類が知られており、立方最密充填構造の閃亜鉛鉱型α結晶構造（2H、4H、6H、15R）や六方最密充填構造のウルツ鉱型β結晶構造（3C-SiC）などが含まれる。

中でも、β結晶構造（3C-SiC）は、高周波デバイスや、窒化ガリウムエピタキシャル層の成長、炭化ケイ素ベースの窒化ガリウムマイクロ波無線周波数デバイスの製造など、他の薄膜材料の基板として使用できます。α結晶構造4Hは高出力デバイスの製造に使用でき、6Hは最も安定しており、光電子デバイスの製造に使用できます。

※炭化ケイ素の性能上の利点

パワー半導体という観点から見ると、炭化ケイ素チップのみに着目した場合、炭化ケイ素は従来のシリコンベースのパワーチップに比べて比類のない利点を持っています。炭化ケイ素は、より大きな電流と電圧に耐えることができ、スイッチング速度が速く、エネルギー損失が少なく、高温に対する耐性も優れています。そのため、炭化ケイ素製のパワーモジュールは、コンデンサ、インダクタ、コイル、放熱部品などの部品点数を削減でき、パワーデバイスモジュール全体を軽量化、省エネルギー化、高出力化することができます。また、信頼性も向上します。その利点は非常に明白です。具体的な概要は以下のとおりです。

1. インピーダンスが低いほど、製品設計が小型化され、効率が向上します。

2. より高い周波数とより速いスイッチング速度に適しています。

3. 優れた高温特性を持ち、より高い温度でも動作可能です。

※炭化ケイ素はなぜこんなに高価なのですか？

炭化ケイ素には将来的に大きなビジネスチャンスがあることは誰もが知っているが、この業界に参入する者は皆、最初に直面する最も現実的な問題、つまりこの材料をどう活用するかという問題に直面することになる。

伝統的なシリコン系産業のビジネス環境が極めて成熟している理由の少なくとも半分は、シリコン材料が比較的容易に入手できることにある。シリコン材料の製造技術が成熟し、効率化が進んだことで、シリコン材料は現在非常に安価になっている。現在、6インチのシリコン研磨済みウェハーはわずか150元、8インチは300元、12インチは約850元である。

原材料が十分に安価になって初めて、産業規模を拡大できるのだ！

現在、チョクラルスキー法を用いると、約2～3メートルのシリコン単結晶棒を72時間で成長させることができ、1本の単結晶棒から一度に数千枚のシリコンウェハーを切断することができる。

炭化ケイ素の単結晶を72時間でどれくらいの厚さに成長させることができるか知っていますか？数センチメートル以下です！！！

現在、炭化ケイ素単結晶を成長させる最も速い方法は、成長速度が約0.1mm/h～0.2mm/hであるため、7.2時間で得られる結晶の厚さはわずか72mm～14.4mmである。

そのため、製造される炭化ケイ素単板ウェハーがどれほど高価になるか想像できるでしょう。現在、4インチ炭化ケイ素基板の価格は2,000～3,000元程度、6インチ基板は6,000～8,000元に達しています。エピタキシャルウェハーは少なくともX2よりも高価で、依然として高値で在庫切れの状態です。

世界をリードする炭化ケイ素企業である米国のクリー社は、生産能力の70%以上をほぼ独占している。そのため、国内外の川下メーカーは、生産能力を確保するためにクリー社と長期契約を締結している。

※炭化ケイ素市場

炭化ケイ素MOSFETおよび炭化ケイ素ダイオードは、太陽光発電、UPS、産業機器、自動車などの用途で使用されています。主に太陽光発電エネルギー貯蔵用インバータ、データセンターサーバー用UPS電源、スマートグリッド充電ステーションなど、高い変換効率が求められる分野に集中しています。しかし、近年の電気自動車やハイブリッド車（xEV）の発展に伴い、SiCはこの新しい分野でも急速に台頭してきました。その応用分野は、エネルギー（太陽光発電、EV充電、スマートグリッドなど）、自動車（オンボードコンピューター、インバータ）、インフラ（サーバー）など多岐にわたります。

要約すると、近い将来、炭化ケイ素はパワーエレクトロニクス業界に革命的な影響を与えることが予想されます。

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