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炭化ケイ素：研磨材から次世代半導体へ

炭化ケイ素について話すとき、最初に思い浮かぶのは、包丁を研ぐのによく使用される、おなじみのカーボランダム砥石です。炭化ケイ素は、優れた耐摩耗性、高硬度、優れた高温安定性により、古くから研磨材、研削工具、耐火物、機能性セラミックスなどに広く使用されてきました。

前回の記事では、炭化ケイ素結晶が「愛の宝石」であるという話をしました。この記事では、半導体材料としての炭化ケイ素に焦点を当てます。

半導体とは何ですか?

半導体は、私たちが遭遇するほぼすべての電子回路に不可欠なコンポーネントです。半導体は、導電率が金属などの導体とセラミックやプラスチックなどの絶縁体の導電率の間にある特殊な種類の材料です。半導体の導電率は、動作温度や製造プロセス中に導入される不純物によっても変化します。

導電率による材料の分類

ただし、厳密に言えば、電気伝導率は材料のエネルギーバンド構造によって決まります。したがって、半導体のより正確な定義は、そのバンド構造に基づく必要があります。

下図に示すように、導体、半導体、絶縁体は異なるエネルギーバンド構造を持っています。導体では、伝導帯と価電子帯が重なっているか、それらの間のエネルギー差が非常に小さいです。その結果、電子を伝導帯に励起して方向性のある電流を生成するために、外部電場などの少量のエネルギーのみが必要となります。

半導体では、伝導帯と価電子帯の間に、バンドギャップとしても知られる禁制帯が存在します。電子は、バンドギャップよりも大きなエネルギーを吸収する場合にのみ、伝導帯に励起されます。一般に、半導体のバンドギャップは約 0 ～ 6.5 eV の範囲です。

絶縁体では、バンドギャップははるかに大きく、通常は 10 eV 以上であるため、電子が伝導帯に励起されることが非常に困難になります。その結果、電気伝導が起こりにくくなります。

したがって、半導体の固有の電気伝導度（導体と絶縁体の間）は、基本的にそのエネルギーバンド構造によって決まります。

エネルギーバンド構造図

シリコンから炭化ケイ素へ

半導体は純粋な元素から作ることができ、最も一般的な例としてはシリコンとゲルマニウムがあります。炭化ケイ素 (SiC) やガリウム砒素 (GaAs) などの複合材料から作成することもできます。

初期の半導体デバイスは主にゲルマニウムから作られていました。その後、シリコンが最も広く使用される半導体材料になりました。しかし、シリコンベースのデバイス技術が発展し続けるにつれて、デバイスの性能は徐々にシリコン自体の物理的限界に近づいてきました。

これにより、先進的な半導体材料に新たな機会が生まれました。その中でも、炭化ケイ素 (SiC) は、従来のシリコンに対する最も有望な競争相手の 1 つとなっています。

Siと比較したSiCの利点を詳しく見てみましょう。

SiCの独自構造による優れた性能

炭化ケイ素は、化学量論比 1:1 の炭素原子とケイ素原子で構成される化合物半導体材料です。 SiC 結晶の基本構造単位は、SiC4 や CSi4 などの四面体構造です。この構造では、周囲の 4 つの原子で形成される四面体の中心に 1 つの原子が位置します。

SiCの原子構造

材料の構造はその特性を決定し、その特性はその用途を決定します。 SiC に優れた物理的および化学的性能を与えるのは、まさに SiC のユニークな原子構造です。

破壊強度、バンドギャップ、熱伝導率など、SiC のいくつかの重要な特性を見てみましょう。

1. 高い臨界破壊強度

SiC は非常に高い臨界破壊強度を持っています。これは、SiC デバイスが同じパッケージ サイズを維持しながら、より高い電圧に耐えることができることを意味します。また、同じ電圧定格を維持しながら、パッケージングの絶縁要件を軽減することもできます。

その結果、SiC を使用して、シリコンで達成できる電圧よりも 1 桁高いブロッキング電圧を備えたコンポーネントを製造できます。

2. ワイドバンドギャップ

半導体の最も重要な特性の 1 つは、そのエネルギー ギャップまたはバンド ギャップです。バンドギャップは電子ボルト (eV) で測定され、1 eV は約 1.602 × 10-19 ジュールに相当します。

SiC のバンドギャップは約 3.26 eV ですが、Si のバンドギャップは約 1.12 eV です。 SiCに代表される第3世代ワイドバンドギャップ半導体は、SiやGaAsなどの従来の半導体材料と比較して、電子デバイス、特にパワーエレクトロニクスデバイスの高電圧、高温、高周​​波数での動作を可能にします。

これにより、SiC ベースのデバイスがより高速、より小型、より信頼性の高いものになります。

3. 高い熱伝導率

熱伝導率も半導体材料の重要な特性です。熱伝導率が高いほど、材料は動作中に発生する熱をより効果的に放散できます。

これにより、熱伝導率の高い半導体で作られたコンポーネントの小型化が可能になり、システム全体の熱管理の向上に役立ちます。

SiCの熱伝導率は約430W/m・Kであるのに対し、Siの熱伝導率は約150W/m・Kです。これにより、SiC は高出力および高温のアプリケーションにおいて明らかな利点が得られます。

半導体材料としての炭化ケイ素

耐火物、研磨材、機能性セラミックスなど、SiC の多くの伝統的な用途についてはすでに説明しました。しかし、SiC の最も魅力的な可能性は、MOSFET やショットキー バリア ダイオードなどのデバイスに使用されるパワー半導体材料としての性能にあります。

SiC は、その高い破壊強度、広いバンドギャップ、優れた熱伝導率のおかげで、要求の厳しい多くの用途において、Si、Ge、GaAs などの従来の半導体材料を上回る性能を発揮します。

製造技術が成熟し続けるにつれて、炭化ケイ素は半導体材料の分野で期待の星となりつつあります。