雷鳴のシリコンカーバイド

過去2年間、第3世代半導体材料であるシリコンカーバイド（SiC）は、雷鳴のように非常に大きな音を立てて吹いています。昨年、一部のメディアは2021年を「シリコンカーバイド爆発の年」としました。今年は、2022年を「シリコンカーバイドパワーチップの応用新年」とする人もいますが、来年は新しいスローガン（ここでは「21世紀は生物学の世紀」を参照）を思いつくことができるかどうかはわかりません。資本市場も風であり、シリコンカーバイドが主題の少し端をこすって急上昇しています。

SiCはパワーデバイスに最適な材料です。

シリコンで構成された半導体材料は私たちの生活を変えました。今後も長い間、シリコン半導体が主流であり続けると信じています。数十年にわたるシリコン材料の開発中に、いくつかの問題に遭遇し、多くの人がそれを別の材料に置き換えようとしました。半導体材料も3世代にわたって発展しました。シリコンカーバイドは半導体材料の第3世代です。SiCは禁制帯幅が広いため、高い破壊電界強度などの材料特性をもたらします。SiCの材料特性の恩恵を受けて、SiCパワーデバイスは高耐電圧、小型、低消費電力、高温耐性などの利点があります。

この利点は主にパワーデバイスに反映されています。前述の特性に基づき、同じ仕様のSiC-MOSFETをSi-MOSFETと比較すると、オン抵抗は1/200に低減され、サイズは1/10に縮小されます。同じ仕様のSiC-MOSFETインバータを使用した場合、Si-IGBTを使用した場合と比較して、総エネルギー損失は1/4未満です。

パワーデバイスは、パワーエレクトロニクス産業の重要な基本コンポーネントの1つであり、電力設備、電力変換、回路制御などの分野で広く使用され、産業システムに不可欠なコア半導体製品です。新エネルギー車のパワーデバイスの急速な成長は、幅広い開発スペースをもたらしました。シリコンカーバイドMOSFETがシリコンベースのIGBTに取って代わるのがトレンドです。

SiC-MOSFETはオン抵抗が低く、スイッチング損失も低いため、高周波回路への応用に適しています。新エネルギー車のモーターコントローラー、車両電源、太陽光発電インバーター、充電スタンド、UPSなどの分野で幅広い用途があります。
シリコンカーバイドについては、まだ明確にしておきたい点がいくつかあります。

まず、SiCはシリコンの完全な代替品ではありません。シリコンカーバイドの利点は、耐高圧性、耐高温性、低エネルギー損失ですが、これらの利点は民生用電子製品に反映されていません。それどころか、SiCウェハーは準備が難しく、コストが高すぎ、エッチングが難しいため、シリコン材料を完全に置き換えることはできません。

第二に、シリコンカーバイドと窒化ガリウムの性能にはそれぞれ独自の重点があり、応用分野も異なります。SiCは高電圧に重点を置き、GaNは高周波に重点を置きますが、この2つの材料にはそれほど競合する特性はなく、応用シナリオも同じではありません。

さらに、SiC が有利な分野であるパワーデバイスでも、SiC が優位に立つわけではなく、シリコンベースの IGBT を使用することは不可能ではありません。

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