シリコンカーバイド（SiC）とは？用途と製造方法
炭化ケイ素、別名SiCは、純粋なシリコンと純粋な炭素で構成される半導体基材です。SiCは、窒素やリンをドープすることでn型半導体を形成することができ、ベリリウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウムをドープすることでp型半導体を形成することもできます。多くの種類と純度の炭化ケイ素が存在しますが、半導体グレードの品質を持つ炭化ケイ素は、ここ数十年間のみ利用され始めました。
炭化ケイ素はどのように製造されますか？
最も単純な炭化ケイ素の製造方法では、シリカ砂と石炭などの炭素を高温――摂氏 2500 度まで加熱して溶融します。より一般的な暗い炭化ケイ素には鉄や炭素の不純物が含まれることが多いですが、純粋な SiC 結晶は無色で、炭化ケイ素が摂氏 2700 度で昇華すると形成されます。加熱されると、これらの結晶は、レーリー法と呼ばれるプロセスでより低温の黒鉛に堆積します。
- Lely法: このプロセスでは、花崗岩のるつぼを非常に高温まで加熱し、通常は誘導加熱により炭化ケイ素粉末を昇華させます。低温のグラファイト棒が気体混合物に懸架されており、純粋な炭化ケイ素が析出して結晶を形成することを可能にします。
- 化学気相成長法: または、メーカーは化学気相成長法を使用して立方晶SiCを成長させます。これは炭素ベースの合成プロセスで一般的に使用され、半導体産業で使用されます。この方法では、一連の特殊な化学ガスが真空環境に入り、基板に堆積する前に結合されます。
どちらの方法も、シリコンカーバイドウェハの生産には成功するために大量のエネルギー、設備、知識が必要です。
炭化ケイ素は何に使われるのですか？SiCの利点
歴史的に、メーカーはシリコンカーバイドを高温環境で、ベアリング、加熱機械部品、自動車のブレーキ、さらにはナイフの研ぎ器具などのデバイスに使用しています。電子機器および半導体用途におけるSiCの主な利点は次のとおりです：
- 120～270 W/mKの高い熱伝導率
- 4.0x10^-6/°Cの低い熱膨張係数
- 高い最大電流密度
これらの3つの特性が組み合わさることで、SiCは特にシリコンと比較して優れた電気伝導性を持ちます。SiCの材料特性は、高電流、高温度、高熱伝導率が必要とされる大電力アプリケーションにおいて非常に有利です。
近年では、SiCは半導体業界の重要な存在となり、MOSFET、ショットキーダイオード、および高電力、高効率のアプリケーションで使用されるパワーモジュールを駆動しています。通常900Vでの耐圧に制限されるシリコンMOSFETよりも高価ですが、SiCはほぼ10kVの電圧しきい値を可能にします。
SiCはスイッチング損失が非常に低く、高い動作周波数をサポートできるため、特に600ボルト以上で動作するアプリケーションにおいて、現在比類のない効率を実現することができます。適切に実装されれば、SiCデバイスはコンバータとインバータのシステム損失をほぼ50%、サイズを300%、総システムコストを20%削減することができます。このようなシステム全体のサイズ削減により、SiCは重量やスペースが重要なアプリケーションで非常に有用です。
炭化ケイ素の用途
多くのメーカーが電気自動車、太陽光エネルギーシステム、データセンターといったアプリケーションでSiCの使用を推進しています。これらの効率志向のシステムはすべて、高電圧および高温をもたらします。高電圧における電力の非効率性が引き起こす炭素排出量を削減するために、他の材料よりもSiCを実装することへの世界的な大きな推進が見られます。電気自動車や太陽光エネルギーのような最先端技術がSiCの利用を開拓していますが、間もなくより多くの従来の産業が追随すると予想されます。
SiCは、自動車産業が高品質、信頼性、効率を求めることに応えて人気を集めています。SiCは高電圧要求に対して優れた対応能力を示します。シリコンカーバイドは、特にインバータシステム内で全体のシステム効率を向上させることにより、電気自動車の走行距離を伸ばす可能性を持っています。これにより、バッテリーマネージメントシステムのサイズと重量を削減しつつ、車両の全体的なエネルギー保存を向上させます。
ゴールドマン・サックスは、電気自動車にシリコンカーバイドを利用することで、1台あたりのEV製造コストと所有コストを約2,000ドル削減できると予測しています。SiCはEVの急速充電プロセスも最適化し、通常はkV範囲で動作し、全体のシステム損失を約30%削減し、電力密度を30%増加させ、コンポーネントの数を30%減少させることができます。この効率性により、充電ステーションは小型化され、充電速度が速くなり、よりコスト効率が高くなるでしょう。
太陽光発電業界では、SiCを利用したインバーターの最適化も効率とコスト削減に大きな役割を果たしています。ソーラーインバーターにシリコンカーバイドを使用することで、システムのスイッチング周波数が標準的なシリコンの2～3倍に増加します。このスイッチング周波数の増加により、回路の磁気部品を削減でき、かなりのスペースとコストを節約できます。その結果、シリコンカーバイドベースのインバーターデザインは、シリコンベースのインバーターに比べてほぼ半分のサイズと重量になります。太陽光発電のメーカーやエンジニアが、ガリウムナイトライドなどの他の材料よりもSiCを使用することを促す別の要因は、その頑丈な耐久性と信頼性です。シリコンカーバイドの信頼性により、太陽光システムは10年以上の持続的な運転に必要な安定した長寿命を実現できます。
GaN対SiCの違いについてさらに読む。
シリコンカーバイドで世界を救う
シリコンカーバイド分野の主要なリーダーは、SiC に関連する豊富なリソースと製品を提供しています。Wolfspeed は、以下のようなさまざまなシリコンカーバイド製品を提供しています：
Wolfspeed は、ベースとなるSiCウェーハの最大のメーカーでもあり、SiCに関するすべての専門家です。同社は2024年までにシリコンカーバイドの実現可能性と普及を拡大することに専念しています。詳しくは、シリコンカーバイドソリューションの全製品をご覧ください。
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