コヒレント社、炭化ケイ素基板への10億ドルの投資を完了

コヒレント社は、日本のデンソーと三菱電機が共同でSiC基板事業に10億円を投資し、150mmと200mmのSiC基板とエピタキシャルウエハーを提供する子会社を設立すると発表した。

SiCは、シリコンよりも高温で動作しながら電力損失を低減できるため、パワー半導体にとって魅力的な材料である。さらに、SiCの小さなフォーム・ファクターと軽量化は、デバイスのサイズと重量を大幅に削減する。

高温

炭化ケイ素（SiC）は、高温または高電圧で動作する電子機器にとって非常に貴重な材料である。その高い熱伝導率と電気伝導抵抗により、SiCコンポーネントを搭載したパワー半導体デバイスは、シリコンをベースとした技術と比較して、エネルギー損失とスイッチオン時間を大幅に削減することができる。さらに、電気伝導抵抗が低いため、シリコンよりも高いスイッチング周波数で動作させることができる。さらに、非常に強固な構造であるため、シリコン技術だけよりも高いスイッチング周波数に達することができる。残念ながら、その密度の低さとコストのために、広く商業化されるには至っていない。モアッサナイト宝石のような天然資源から採掘される少量のSiCもあるが、電子機器に使用されるSiCのほとんどは、天然資源から採掘されるモアッサナイト宝石のような天然資源ではなく、電子機器製造施設によって合成的に製造されている。

研究者らは、こうした課題に取り組むため、SiC中の空孔関連スピン欠陥の光学的および磁気的特性を研究し、室温でも特定のスピンをコヒーレントに制御できることを明らかにした。SiC中の他の既知の欠陥系はコヒーレンス時間が極めて短いため、これは大きな画期的成果であり、この研究成果は、量子情報タスクなど、SiC中のスピン欠陥の応用の可能性を広げるものである。

研究者らは、水素イオン注入とその後の高温ポストアニールによって生成したPL8欠陥の光学および磁気光学特性を調べた。これらの欠陥のODMRシグナルは、低温では5次の多項式温度依存性を持つローレンツ・フィットを示したが、高温ではゼロ磁場散乱強度を持つ明確なカットオフを示した。

その後、研究者らはラムゼイパルスシークエンスを使って、これらのPL8欠陥スピンの自由誘導減衰時間（T2ast）を正確に測定し、自由誘導減衰がパワー依存性であることを示した。

この研究はNature Nanotechnology誌に掲載されたもので、日本のデンソーと三菱電機がコヒーレント社のSiC事業に10億TP4Tを投資し、12.5%の非支配持分を取得するとともに、150mmおよび200mm基板とエピタキシャルウエハーの需要を満たすための長期供給契約を締結することで実現した。

高周波

炭化ケイ素（SiC）は、熱的、光学的、機械的特性に優れた半導体材料であり、ハイパワーエレクトロニクス、マイクロメカニカルセンサー、天体望遠鏡、その他多くの用途に適しています。SiCデバイスは、シリコン(SI)チップよりもスイッチング損失が低い一方で、より高温で動作し、電力損失を低減し、効率を向上させる傾向があります。

炭化ケイ素は卓越した耐熱性を誇るだけでなく、純粋なシリコンの10倍以上の高い導電性を持っています。この特性により、炭化ケイ素は高速で電流を流すことができるため、低スイッチング損失と高速動作を実現し、効率の向上とエネルギーコストの削減を実現します。さらに、デバイスを損傷することなく高電圧に耐える炭化ケイ素の特性は、モーターやドライブなどの高速アプリケーションに適しています。

SiCは、スイッチング損失と発熱が大きいため、以前は高周波用途での使用が制限されていたが、最近、窒化物ベースのドーパントを用いたドーピング技術により、この問題が解決され、スイッチング損失が減少し、高周波での性能が向上した。このアプローチを採用することで、既存の技術よりも耐圧が高く、高速動作が可能な高速トランジスタや高耐圧ダイオードの製造が可能になった。

窒化物ベースのドーピングは、製造過程でシリコンに窒素を混ぜて炭素空孔を形成し、炭化ケイ素に卓越した周波数品質特性を与えるもので、モーターやドライブ、電気通信やレーダー・システムに理想的な高周波で大電流を扱うことを可能にする。

研究者らは、炭化ケイ素の特性や欠陥構造について研究してきたが、高温でのスピン挙動についてはほとんど知られていなかった。この温度レベルでのスピン挙動を研究した結果、研究者らは、SiC欠陥スピンのゼロ磁場分裂が温度に依存すること、すなわちスピンのコヒーレンスが温度の上昇とともに減少することを発見した。

ペンシルベニア州サクソンバーグのコヒレント社は、日本の電気自動車市場プロバイダーである株式会社デンソーと三菱電機株式会社（愛知県刈谷市）の2社から、このほど10億円の出資を受けた。両投資家は、コヒレント社が新たに設立した子会社に12.5%出資し、長期供給契約を結ぶことで、コヒレント社の成長を支援する。

高電圧

炭化ケイ素（SiC）は、ケイ素原子と炭素原子が共有結合で結合した極めて強固な化学化合物で、ダイヤモンドに見られるような強い共有結合相互作用を持つ。SiCは、六方晶系の結晶構造とワイドバンドギャップの半導体特性を特徴としている。さらに、SiCのバンドギャップエネルギーはシリコンの約3倍であるため、送電中に大きな損失を生じることなく電気を流すことができ、電気自動車の電源のような高電圧用途に理想的である。

SiCはまた、他の半導体よりもはるかに耐久性が高く、効率的な動作を維持するための冷却システムを必要とせずに、部品が高温に耐えることを可能にする。これにより、電気自動車の燃費と航続距離の向上が可能になる。さらに、SiC製の半導体チップを使用することは、電気自動車に搭載されるパワーエレクトロニクスが、シリコン（Si）だけで作られたものよりも高いスイッチング周波数と温度に耐えられることを意味する。

レーザー装置と半導体ウエハーを提供するコヒレントは、すでにSiC製品の需要が急増していることを目の当たりにしている。高性能の電気自動車（EV）を計画している企業からの新規受注により、2024年第1四半期の売上高は50％増加した。

この投資により、同社は製造プロセスの改善と新技術の開発を進めながら、生産能力を拡大することができる。SiCウェハーの生産と並行して、同社はGaN-on-SiC RFパワーアンプやその他のRFおよびマイクロ波デバイスの製造を計画している。

デンソーと三菱電機の出資により、コヒレント社のSiC事業の価値は10億円を超えると予想される。各日本企業は、コヒレント社のワイドバンドギャップ・エレクトロニクス技術担当副社長であるソハイル・カーン氏が経営するコヒレント社の新子会社に12.5％の非支配株式を取得する。さらに、2024年第1四半期までの閉鎖までに、この子会社との間で長期供給契約を締結する。

軽量

米国のハイテク機器メーカーであるコヒレント社は、炭化ケイ素（SiC）半導体事業を立ち上げるため、日本の電気自動車メーカー2社から10億円の出資を受けたと発表した。10月10日のコヒレント社の発表によると、デンソーと三菱電機はそれぞれ$5億ドルを出資し、その対価としてコヒレント社と長期供給契約を結んだ。

SiCはシリコン・カーボンの略で、ダイヤモンドに似た結晶構造を持つ硬い化合物である。天然にはモアッサナイト鉱物として存在するが、1893年以来、SiCは粉末または結晶として大量生産され、自動車のブレーキ、クラッチ、防弾チョッキのプレートなどの硬質セラミック用途に使用されている。また、大きな単結晶を成長させて、合成モアッサナイト宝石として知られる宝石にカットしたり、アルミナや炭化タングステンのような工業材料に粉砕して製造用途に使用することもあります。

コヒレント社のSiC事業は、パワーエレクトロニクスデバイス用ウェハーの供給において確立された実績を有している。市場をリードするSiCの熱伝導率は、パワーモジュールの放熱効率を高め、電力損失の低減と性能の向上に貢献する一方、優れた電気特性はシリコンよりも優れています。

炭化ケイ素は、その熱特性と低膨張係数で際立っており、高電圧用途での使用に適しています。さらに、卓越した強度対重量比による耐久性が印象的で、加工が容易であるため、精密工具に使用される魅力的な材料です。

新子会社は、SiC基板やエピタキシャルウエハーの製造から、完成したデバイスやモジュールを構成する部品の設計に至るまで、デバイス作成のあらゆる段階で顧客に関与する。カーン氏は、同社の目標は顧客を理解し、顧客のニーズに合わせて特別にカスタマイズされたソリューションを創造することであり、新子会社はこの成長市場でかなりのシェアを獲得できると確信していると語る。