編集長による序文

2020年、私たちは共に新型コロナウイルス感染症の世界的パンデミックを経験しました。約200万人が静かに亡くなりました。生命を尊重し、科学を尊重し、団結して感染症と闘うことが国際的な共通認識となりました。武漢の封鎖、長江の洪水、オーストラリアの森林火災、アフリカのバッタの大発生、ナゴルノ・カラバフ地域での激しい戦争の勃発は、いずれも私たちの記憶に鮮明に残っています。2020年は大災害の年であったと言えるでしょう。しかし、それだけではありません。2020年には、アジア太平洋15カ国によるRCEP地域自由貿易協定の署名、世界経済の信頼感の向上、SpaceXによる初の商業有人宇宙飛行の成功、嫦娥5号ミッションの完全成功も目撃しました。世界経済が深刻な打撃を受けた時期に、中国は主要経済国の中で唯一プラス成長を達成しました。経済回復の原動力として、半導体業界も2020年にその責任を担い、大きな成果を上げました。5Gの年である2020年には、5nm 5Gチップが力強く発売され、AppleはTSMCの5nmプロセスを使用して11.8億個のトランジスタを統合したA14 Bionicを発売しました。その後、HuaweiとSamsungもKirin 9000シリーズとExyon 1080を発売しました。クラウド上でのEDAの探求と実装、EDAソフトウェアベンダー、IC設計会社、ファウンドリが協力して推進し、EDAツールの使用ニーズに適応し、大規模な自動インテリジェントスケジューリングコンピューティングパワーを持ち、大規模なクラウドリソースが弾力的なコンピューティングパワーサポートを提供し、チップの研究開発サイクルと歩留まり率を直接改善し、チップ設計コストを削減します。3D高度パッケージング技術は着実に進歩し、ムーアの法則のボトルネックを突破しました。統合性、性能、消費電力などの面で明らかな利点があります。サムスンは今年、新しいX-Cube3Dパッケージング技術が実用化準備完了になったと発表しました。もちろん、半導体分野の新星として、第3世代半導体やその他の化合物半導体も大きな注目を集めており、多くのハイライトがあります。ベルギーの半導体企業Cissoidの素晴らしい見解を以下でご覧ください。

    「化合物半導体」誌独占インタビュー：Cissoid China ゼネラルマネージャー、羅寧生博士          

羅寧生博士は現在、ベルギーのCissoid社の中国総経理を務めています。それ以前は、欧米の複数の半導体企業で半導体市場および事業管理に携わり、主に中国およびアジア太平洋地域の市場と事業を担当していました。これらの企業には、米国のSynaptics（NASDAQ: SYNA）、米国のSilicon Data、英国のPicoChip、米国のInnovative Micro Technologyなどが含まれます。羅博士は中国科学院上海技術物理研究所で博士号を取得後、長年にわたり欧米で客員研究員として材料物理学の研究に従事しました。具体的には、ドイツのゲッティンゲンにあるマックス・プランク流体力学研究所で固体表面物理学の研究を行い、米国のルイビル大学物理学部で半導体ナノ材料の研究を行いました。

Q 2021年が近づいています。新年を迎えるにあたり、化合物半導体産業の発展と変化をどのように見ていますか。また、2020年についての結論と見解は何ですか。 A テスラに続き、2020年にはBYDが中国でSiC MOSFETを搭載した電気自動車を正式に発売し、主要な電気自動車メーカーも電気自動車へのSiCの応用にますます注目しています。OBC、DC-DC、充電パイルに関しては、比較的低価格のSiC MOSFETが一般的に使用でき、コストを比較的低く抑えながら効率を向上させ、体積と重量を削減できます。モーター駆動アプリケーションでは、可能な限り最高の効率と最低の熱損失を追求するために、ハイエンドのSiC MOSFET（つまり、内部抵抗が比較的小さい）が使用される傾向があります。電気自動車のモーターに関しては、従来のIGBTをSiC MOSFETに置き換えることで、車両全体のエネルギー効率が5～10%向上することが業界では一般的に確認されており、これは同じバッテリーパックの条件下で航続距離が5～10%向上することを意味し、非常に魅力的です。今年の大規模な供給不足はその兆候であり、2021年は電気自動車分野におけるSiCの応用が爆発的に増加する年となるでしょう。さらに、GaNも近年非常に順調に発展しており、主な用途はモバイル機器の急速充電器です。民生用電子機器への応用も含まれるため、需要は非常に大きく、GaNの出荷量は間もなくSiCデバイスを桁違いに上回るでしょう。

Q 5G、新エネルギー車、ビッグデータ、AI、IoTなどの技術分野の急速な発展に伴い、化合物半導体には多くの機会がもたらされるでしょう。化合物半導体はどのような課題と機会に直面しているとお考えですか？ 化合物半導体（SiCとGaN）は、従来のSiデバイスに取って代わろうとする新しい半導体デバイスであり、最大の課題はコスト管理です。これは、生産歩留まりと生産規模の管理に関わっています。歩留まり率を継続的に改善し、生産規模を拡大することによってのみ、コストを徐々に削減し、市場での幅広い応用を獲得することができます。課題は同時に機会でもあり、これはさまざまな化合物半導体メーカーが勝利し、市場シェアを獲得するための指揮の要でもあります。

Q：炭化ケイ素（SiC）は、特にパワーエレクトロニクスやマイクロ波無線周波数デバイスへの応用において、大きな発展の可能性を秘めた材料です。現在、大きな注目を集めています。貴社は炭化ケイ素の市場動向をどのように見ていますか？また、炭化ケイ素材料の高度化と発展をどのように促進していく予定ですか？ A：

SiCパワー半導体デバイスなどの第3世代半導体が成熟し普及するにつれ、初期段階ではアプリケーションにおけるSiデバイスの置き換えが進むでしょう。しかし、後期段階では、その性能上の利点を積極的に活用して多くの新しいアプリケーションが創出され、つまり、これまでSiデバイスでは不可能だったアプリケーションにも参入するようになります。例えば、SiCの固有の耐高温性は、Cissoidの高温半導体デバイスと非常に相性が良く、電力システム設計のパターンを大きく変え、設計エンジニアに新たな幅広い拡張の余​​地を提供します。こうした将来の高温・高電力密度アプリケーションには、高度に統合された電気自動車のパワートレイン、多電動および全電動航空機、さらには電動航空機、モバイルエネルギー貯蔵充電ステーションやパワーバンク、そして液冷が著しく制限される様々な電力アプリケーションなどが含まれます。 

電気自動車のパワートレイン（モーター、電子制御装置、ギアボックス）は3in1化が進んでいるものの、現状では構造的に積み重ねられているだけで、統合度は低い。構造的に言えば、将来的にはパワートレインの深層統合が必然的な流れとなるだろう。なぜなら、これにより体積、重量、内部消費量をそれぞれ約3分の1削減でき、総コストを2～4倍削減できる可能性があるからだ。しかし、電子制御装置はモーターと密接に統合されるため、深層統合によって出力密度は大幅に向上する。そして、高温への対応は避けられない最大の課題となる。

従来の航空機では、尾翼、翼、着陸装置などを制御する機械的動作は、古典的な油圧伝達に依存しています。作動油は液体であるため、環境の影響を大きく受け、メンテナンスコストも高くなります。現在、部分的または完全な電動化の傾向があり、これは多電動航空機や全電動航空機の概念です。航空機の油圧回路の代わりに電気モーターを使用して機械的動作を実現すると、信頼性が高く、メンテナンス性が高く、冗長バックアップ設計が容易になります。しかし、最大のジレンマは、航空機のモーターと電子制御装置に水冷装置を装備することが許可されておらず、強制空冷と自然冷却に頼るしかないことです。したがって、多電動航空機、全電動航空機、さらには電動航空機の電子制御設計を実現するには、まず解決しなければならない主要な技術的問題が高温です。 

さらに、電気自動車の普及に伴い、特に半移動式エネルギー貯蔵充電ステーションや完全移動式パワーバンクは、特定のシナリオにおいて固定式充電のギャップを効果的に埋めるなど、多くの応用シナリオが考えられます。しかし、このような移動式充電アプリケーションでは、水冷機構は重量と体積の増加という負担をもたらすだけでなく、より重要なことに、蓄えられた電気エネルギーを消費してしまいます。したがって、電子制御には自然冷却が最適な方法となりますが、電子制御システムの熱管理問題を適切に処理する必要があります。

上記3つの代表的な高温用途に加え、液冷が極めて制限される多くの特殊な産業用途においても、電子制御システムは同様の高温課題に直面します。高温電気制御技術は、上記のような高温用途を実現するための鍵となります。その中核となる実装技術は、SiCパワーデバイスの高温パッケージング技術と、それに適合する高温駆動回路技術です。

SiC材料とそのデバイス構造は本来的に高温耐性があり、真空条件下では400～600℃の温度にも耐えることができます。実用上、空気への曝露による酸化を防ぐため、SiCデバイスはパッケージ化する必要があります。また、高温に耐えるためには、耐高温パッケージを使用しなければなりません。現在、業界最高水準は接合部温度150℃です。接合部温度175℃のレベルは、ようやく実現し始めたところです。準標準化されたパッケージも存在します。200℃以上の温度に対応するパッケージは、パッケージ材料とプロセスに非常に厳しい要件があり、熱伝導率と放熱性能の要件を満たすために、ベアチップの特性に合わせてカスタマイズする必要があります。

SiCパワーデバイスおよびモジュールの応用は、ドライバ回路およびそれに対応するチップと切り離すことはできません。しかし、ほとんどのドライバ回路チップは一般的なシリコンデバイスであり、高温に耐えることができません。175℃などの高温で1,000時間動作できるものがあれば、それはすでに稀です。さらに、高温耐性は問題の一側面に過ぎません。より深刻なのは、高温におけるデバイス性能の一貫性です。一般的なシリコンデバイスの性能は70℃を超えると急速に低下するため、高温では使用できません。CissoidのSOI特殊シリコンデバイスは、20年以上にわたる革新的な研究開発と応用試験を経て、175℃の高温耐性を実現し、15年間連続動作が可能になりました。その性能は全温度範囲で優れた一貫性を持ち、SiC高温アプリケーションを支える柱となっています。

Q: 中国の化合物半導体産業が国際的な経験から学び、産業発展を加速させる方法についての見解をお聞かせください。 A 中国は化合物半導体の分野では後発で、海外に遅れをとっていますが、この分野は中国で急速な発展を遂げるのに非常に適しています。主な理由は3つあります。第一に、化合物半導体のプロセスは基本的にミクロンレベルです。材料から装置まで、国内の産業チェーンのサポートが充実しており、微細ナノスケール製造装置（特にフォトリソグラフィ装置）の輸入の必要性によって大きく制限されることはありません。第二に、化合物半導体のデバイス構造は比較的単純で、非常に複雑なトップレベルのEDAサポートを必要としません。また、輸入の必要性によって生じる深刻な制約も解消されます。第三に、中国には広大で巨大なアプリケーション市場があります。したがって、化合物半導体は中国の半導体産業全体の改善のための重要なブレークスルーの1つになると結論付けることができます。近年、中国は半導体製造産業を非常に重視し、多額の投資を行ってきました。数十のウェハー工場が設立、拡張、または建設されています。特に近年、マイクロエレクトロニクスシステム加工を独立した分野として扱うべきだという声が業界内で上がっている。これは素晴らしい動きだ。しかし、国内のウェハー工場を見てみると、いずれも新工場、新設備を導入し、巨額の投資を行っている。最も不足しているのは、プロセス開発分野の人材と、保守プロセスにおける人材育成システムである。旋盤、フライス盤、溶接機といった伝統的な機械加工分野では、技能の発展を促進・維持するための福利厚生や補助金と連動した多段階の技能者制度が存在する。このような重要なマイクロエレクトロニクスシステム加工産業には、より包括的な人材育成システムが必要である。