SiC 突然成功の秘密

炭化ケイ素は、パワー半導体の不思議な材料として期待されてきましたが、商業的には最近になってから成功を収めようとしています。SiCの成功のきっかけは何だったのか、そして今後の展望はどうなるのか。

炭化ケイ素(SiC)は有史以来存在していますが(超新星などの宇宙現象の産物として自然に存在する)、最初に合成されたのは1891年のことです。光沢のある六角形の結晶がダイヤモンドとほぼ同じ硬さで、チップや粉末として工業的に大量に製造できることを発見したアッシェンは、SiCが信じられないほど効果的な研磨材として、初めてのキャリアを築くきっかけを作ったのです。

もちろん、今日のエレクトロニクス技術者にとって、SiCは全く異なる役割を果たしています。SiCパワー半導体は、エネルギー変換効率を高め、従来のシリコンベースのデバイスに比べてより高い電圧や電流に耐え、より高い動作温度に耐えることができ、データセンターの電源、風力発電や太陽光発電のパワーコンディショニングモジュール、電気自動車のトラクションインバーターなどの機器に重要なメリットをもたらします。

しかし、なぜ今なのか？20世紀初頭から、SiCの電気的特性を研究してきた研究者がいました。しかし、これらの特性はわずかなもので、SiCはすぐにヒ化ガリウムや窒化ガリウムなどの化合物に取って代わられてしまいました。出力が10～100倍向上したこれらの化合物は最初のLEDとなり、SiCは用途をまだ探している合成半導体材料として研究室に残っていました。

これらはすべて、トランジスターが発見される40年前のことでしたが、SiCの特性は、半導体技術の進歩に伴って理論的にも魅力的な利点をもたらしてくれました。SiCの熱伝導率はシリコンの3.5倍。高い導電率を実現するためにドープ量を多くすることができる一方で、高い電界強度を維持することができ、故障を起こすこともありません。高温まで動作するだけでなく、機械的にも非常に安定しており、熱膨張係数も低い。では、トランジスター革命の黎明期にシリコンはどのようにして登場したのでしょうか？

この質問に対する簡単な答えは、経済性です。歴史的にSiCのアキレス腱は、大量生産性が相対的に劣っていたため、高品質のSiC結晶を製造することが困難でした。エッジ転位、各種スクリュー転位、三角欠陥、基底面転位などの多種多様な欠陥が、小サイズのウェハーでも多数発生していました。また、トランジスターやダイオードのリバースブロッキング性能が低下し、デバイスが効果的に動作しなくなるなどの問題がありました。また、SiCとMOSFETやIGBTの製造に必要な二酸化ケイ素(SiO2)との界面にも問題がありました。

シリコンが道を切り開いた

これらの課題により、チップメーカーはSiCで可能な性能、電力密度、信頼性の完全な向上を実現することができませんでしたが、シリコン半導体は商業的な歩留まりレベルでの製造が容易であることが証明されており、パワーエレクトロニクスの世界を席巻してきました。しかし、現在シリコン技術は、データセンターの電力、自動車、再生可能エネルギーなどの分野で要求される継続的な改善を実現することができません。

幸いなことに、SiCの商業化に向けた従来の障壁を克服しようとする研究者の努力が実を結びつつあります。SiCウェハーの純度が向上したことで歩留まりが向上し、メーカーは4インチウェハーから6インチウェハーへの移行を可能にしました。これにより、デバイスコストを20～50%削減できると考えられています。6インチウェハーは2012年頃から生産を開始しました。また、窒化処理(二酸化窒素や酸化窒素でのアニール)などのプロセスの開発により、SiC基板上に二酸化ケイ素膜を成長させることが可能となり、高性能なパワーMOSFETやIGBTの製造に必要とされています。

シリコンベースのデバイスは多かれ少なかれ性能の限界に達している中、創意に富んだ設計者は性能の最後の一滴を絞り出し続けていますが、最新のSiC技術はさらに急速に進歩しています。デバイスアーキテクチャーと寸法の最適化、寄生ダイオードの挙動の改善、新しいパッケージ構造により、今日の最も要求の厳しいアプリケーションにおける高性能、高効率、超耐久性の後継製品として、シリコンを上回るSiC本来の性能上の優位性を拡大する大きな利益が実現しています。また、UnitedSiCの1200V SiC JFETなどの高電圧デバイスも登場しています。

多くのプロジェクトではまっさらな回路の設計から始める余裕がなく、一部のSiC MOSFETは既存のシリコンデバイスのドロップインアップグレードが簡単ではなく、性能向上を最大化するためには回路の再最適化、ゲートドライブ電圧の見直し、スイッチング周波数の向上が必要となります。

Qorvoのカスコードは、一部のシステム・ベンダーが必要とする、過去のシリコンからSiCの未来への橋渡しを提供することができます。低電圧シリコンMOSFETとSiC JFETをコパッケージしてハイパワーを駆動することで、使用可能なドロップインアップグレードが可能になり、SiCの効率性、堅牢性、および電力密度の利点を利用するために必要なコミットメントを最小限に抑えることができます。産業用バッテリーバックアップシステムのメーカーであるスウェーデンの Micropower Group のような企業は、旧式のシリコン MOSFET を Qorvo の SiC キャスコードに置き換えることに成功し、軽負荷時の効率を 10% 向上させ、標準負荷時の効率を 1% 向上させることに瞬時に成功しました。

100年以上の歳月とキャリアチェンジを経て、SiCが貴重なパワー半導体技術として活躍する時が来たのです。

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