シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム

一般的に使用されるデジタル製品やハイテク電気自動車、5G 基地局の背後には、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウムという 3 つのコア半導体材料が業界を牽引しています。彼らはお互いの代わりではなく、チームのエキスパートであり、さまざまな戦場でかけがえのない努力をしています。彼らの分業を理解すると、現代のエレクトロニクス産業の発展ツリーが見えてきます。

1.シリコン: 集積回路の礎石

シリコンは間違いなく半導体の王様であり、高度に統合された複雑なコンピューティングの全分野を支配しています。コンピュータの CPU、モバイル SoC、グラフィックス プロセッサ、メモリ、フラッシュ メモリ、さまざまなマイクロコントローラやデジタル ロジック チップは、ほとんどすべてがシリコン ベースで構築されています。

なぜシリコンがこの分野で優位に立っているのか

1)優れた統合度

シリコンは優れた材料特性を持っており、熱酸化プロセスを通じて表面に完全な SiO2 絶縁膜を成長させることができます。この特性は、極度に複雑なロジスティック機能を実現するために、小さなチップ上に数十億、さらには百億のトランジスタを集積する CMOS トランジスタを構築するための基礎となります。

2)成熟したプロセスと低コスト

半世紀以上の開発を通じて、シリコンのプロセスは人類の産業文明全体の成果です。精製、結晶引上げ、フォトリソグラフィー、エッチングに至るまで、成熟した巨大な産業チェーンを形成し、高品質な結晶を驚異的な規模と極めて低コストで生産しています。

3)バランスが良い

シリコンは、導電率、スイッチング速度、製造コスト、熱性能の間で最適なバランスを実現します。極端なパフォーマンスでは新興素材のパフォーマンスには及ばないかもしれませんが、複雑なデジタル信号や論理演算を処理するには完全に適切で、最も経済的な選択肢です。

2.炭化ケイ素: ハイボルト戦場のパワーガーディアン

SiC は、高電圧、高出力分野における革命的な材料です。主に電力の変換や制御を行う「パワーデバイス」に使用されます。新エネルギー車の主駆動インバーター、車載充電器、DC-DCコンバーターなど。スマートグリッド変換ステーション、産業用モータードライブ、産業および電力網における鉄道輸送。新エネルギー発電産業における太陽光発電インバータおよび風力発電コンバータ。

SiCが高電圧アプリケーションに適している理由

1)非常に高い破壊電界強度

SiCの破壊電界強度はシリコンの10倍です。これは、同じ耐圧デバイスを製造する場合、デバイスのオン抵抗を下げるために、SiC のエピタキシャル層をより薄く、ドーピング濃度をより高くすることができることを意味します。抵抗が低くなると、通電時のエネルギーロスや発熱が大幅に低減されます。

2)良好な熱伝導性

SiCの熱伝導率はシリコンの3倍です。高出力アプリケーションでは、加熱が「最大のキラー」となります。 SiC デバイスは、発熱自体をより迅速に排出できるため、より高い電力密度の下でもシステムの安定した動作が可能になったり、放熱システムが簡素化されたりすることができます。

3)高温作業能力

シリコンデバイスの動作温度は通常 175°C 未満ですが、SiC デバイスは 200°C 以上でも安定して動作します。これにより、自動車のエンジンの近くにある電子システムなど、高温で過酷な環境における信頼性が向上します。

3.窒化ガリウム: 高周波トラックのスピードパイオニア

GaN の主な利点は高周波にあります。それは 2 つの分野で輝きます。

高周波パワーエレクトロニクス (急速充電): 現在最も普及しているアプリケーションであり、コンパクトで高効率の GaN 急速充電器の使用が可能になります。

RF フロントエンド: 防衛産業の 5G 通信基地局およびレーダー システムのパワー アンプ。

GaN が高周波性能の王様である理由

1) 非常に高い電子飽和ドリフト速度: 電子は GaN 材料内で非常に速く移動します。これは、トランジスタが非常に高いスイッチング速度を達成できることを意味します。スイッチング電源の場合、スイッチング周波数が高くなると、より小型で軽量のコンデンサやインダクタの使用が可能になり、充電器の小型化が可能になります。

2) 高電子移動度トランジスタ (HEMT): 前回の記事で詳しく説明したように、GaN-AlGaN ヘテロ接合界面は、非常に高い電子濃度と移動度を備えた二次元電子ガス (2DEG) を自動的に形成することができ、その結果非常に低いオン抵抗が得られます。これにより、GaN デバイスには、高速スイッチング時の低伝導損失と低スイッチング損失という 2 つの利点がもたらされます。

3) 広いバンドギャップ: 炭化ケイ素と同様に、GaN も広いバンドギャップを持っているため、高温および高電圧に耐性があり、シリコンよりも堅牢です。