SiCが高温設計の主力材料になりつつある理由

しかし、1900年代初頭にLEDなどの電子部品に使用されていた化合物であるSiCが、現代の多くの半導体設計に最適な候補となっているのはなぜでしょうか?

希少鉱物から高性能半導体まで

シリコンカーバイドが半導体設計でますます人気になっている理由を理解するには、まずその材料としての歴史と物理的特性を振り返ってみることが役立ちます。SiCは自然界では非常に稀ですが、シリコンカーバイドの大規模な生産は、1890年代にアメリカの化学者エドワード グッドリッチ アチソンがダイヤモンドの合成を試みてSiCが誕生したときに初めて実現しました。数年後、フェルディナンド・アンリ・モアッサンによってアリゾナ州のキャニオン・ディアブロ隕石の中に天然に存在することが発見され、鉱物名がモアッサナイトとなりました。

SiCは非常に対称的な原子構造を持つ、非常に硬い材料です。高電圧に耐える能力があるため、初期の避雷器ではよく選ばれました。また、熱膨張率が低く、耐熱衝撃性が高く、熱伝導率が非常に高いため、ブレーキなどの自動車用途でよく使用されています。

SiCの可能性を活かす

長年にわたり、SiCは半導体設計に使用できる可能性の高い材料であると考えられてきました。しかし、従来のシリコンと比較すると、SiCでは製造プロセスに起因する変形や固有の欠陥の発生率がはるかに高くなっています。電子機器設計に必要な精度を備えたSiC半導体を作成することは非常に困難でした。最近の製造プロセスの進歩により、状況は変わり、SiCの大きな可能性が真に実現し始めています。

シリコンカーバイドは、相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) に使用される製造プロセスと非常に互換性があるという幸運な特徴を持っています。これは、現代の製造業者が、他のシリコン ウェーハの場合と同じプロセスをSiCウェーハの製造の多くに利用できることを意味します。ただし、SiCでは、従来のシリコンに比べてはるかに高温の処理ステップが必要になります。しかし、適切なオーブンや炉を使用すれば、比較的高収率のウェーハを得ることができます。

SiCテクノロジーの大きな可能性を引き出すためのもう1つの鍵は、適切なパートナーと協力することです。多くの企業がSiCを使用した部品の作成に取り組んでいますが、 Wolfspeed のような企業は、この材料を扱った長年の経験を持つ点でユニークです。その経験と相まって、この強力なテクノロジーを活用するための新しい方法を革新し続けるという取り組みが生まれます。

SiCの用途は拡大中

今日、SiCは独自の特性により、多くの現代的なデザインで人気の選択肢となっており、その成長分野の一つが自動車技術の分野です。この成長の主な理由の1つは、SiCの温度性能です。今日の自動車の設計、特に急成長している電気自動車業界では、大量の電流が必要です。車両を加速するには大量のパワーが必要であり、それに伴って大量の熱も発生します。SiCは、急激な温度変化（1月に屋外に駐車した車が高速道路で急発進して加速するなど）に耐えられるだけでなく、優れた負荷耐性も備えているため、放熱による電力損失が少なくなります。

従来のシリコンと比較したSiCのもう一つの重要な利点は、排出ガスおよび燃料消費基準の達成に貢献することです。燃費を最大化するための最も重要な要素の1つは、車両の重量を軽くすることです。シリコン半導体デバイスと比較すると、SiCの電界強度はほぼ10倍高くなります。これにより、同等のコンポーネントの電力密度を高め、システム サイズと重量を削減できます。

急成長するモノのインターネットをサポート

SiCの使用が最近増加しているもう1つの分野は、無線周波数 (RF) 通信の分野です。モノのインターネットが成長を続けるにつれて、信頼性が高く高速な通信がますます重要になってきました。信頼性、コストパフォーマンスの低さ、使いやすさから、IoTで最も人気のある通信規格の1つとしてRFが急速に普及しました。ただし、RFでは、特に長距離の送信時にかなりの電力消費が必要になります。この電力により、相応に高温になり、ここでもSiCが優れた選択肢となります。

モノのインターネットがSiC半導体の使用に影響を与えているもう1つの分野は、産業用IoTです。これらの産業用途は、鉱山、石油精製作業、ポンプ施設など、高温の非常に過酷な環境で行われることが多いです。これらの施設へのアクセスは危険かつ困難な場合があり、特に高温環境下での信頼性と性能が最も重要となります。そのため、高温性能と信頼性の組み合わせが重要となる分野では、SiCが急速にゴールドスタンダードになりつつあります。

SiC技術の最も有望な応用例の1つは、SiC-on-Si基板です。この用途では、半導体設計は、高温性能と熱伝導性、負荷許容度、高周波スイッチングなど、SiCの多くの利点を享受できると同時に、従来のシリコンの大規模な可用性と低コストも享受できます。多くの点で、それは両方の長所を兼ね備えています。

電気自動車、モノのインターネット、さらには人工知能のブームに牽引されて高性能半導体アプリケーションが成長し、SiCの使用は最近大幅に増加しています。システムの要求がますます厳しくなり、電源ソリューションに信じられないほどの堅牢性が求められるようになるにつれて、SiCが電子部品の世界でさらに主流になることが予想されます。設計のパフォーマンスを向上させる方法を探している場合は、SiCを検討するのが最適な出発点です。

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