炭化ケイ素セラミックス vs. 半導体炭化ケイ素：同じ材料でありながら異なる運命を辿る

1. 原材料の純度要件の相違

 

セラミックグレードSiCは、粉末原料の純度要件が比較的緩やかです。通常、90%～98%の純度を持つ商用グレード製品でほとんどの用途ニーズを満たすことができますが、高性能構造用セラミックスでは98%～99.5%の純度が求められる場合があります（例えば、反応結合SiCでは遊離シリコン含有量の制御が求められます）。SiCは特定の不純物を許容し、焼結性能の向上、焼結温度の低減、最終製品密度の向上を目的として、酸化アルミニウム（Al₂O₃）や酸化イットリウム（Y₂O₃）などの焼結助剤を意図的に配合する場合もあります。

 

半導体グレードのSiCには、ほぼ完璧な純度レベルが求められます。基板グレードの単結晶SiCでは、99.9999%（6N）以上の純度が求められ、一部のハイエンドアプリケーションでは7N（99.99999%）の純度が求められます。エピタキシャル層では、不純物濃度を10¹⁶ atoms/cm³未満に維持する必要があります（特に、B、Al、Vなどの深層不純物は避ける必要があります）。鉄（Fe）、アルミニウム（Al）、ホウ素（B）などの微量不純物でさえ、キャリア散乱を引き起こし、破壊電界強度を低下させ、最終的にはデバイスの性能と信頼性を損なうことで、電気特性に深刻な影響を与える可能性があるため、厳格な不純物管理が不可欠です。

 

炭化ケイ素半導体材料

 

2. 独特の結晶構造と品質

 

セラミックグレードのSiCは、主に多数のSiC微結晶がランダムに配向した多結晶粉末または焼結体として存在します。この材料は、特定のポリタイプ（例：α-SiC、β-SiC）を厳密に制御することなく、複数のポリタイプ（例：α-SiC、β-SiC）を含む場合があります。その代わりに、材料全体の密度と均一性が重視されます。内部構造は、豊富な粒界と微細な気孔を特徴とし、焼結助剤（例：Al₂O₃、Y₂O₃）を含む場合があります。

 

半導体グレードのSiCは、高度に秩序化された結晶構造を持つ単結晶基板またはエピタキシャル層でなければなりません。精密結晶成長技術によって得られる特定のポリタイプ（例：4H-SiC、6H-SiC）が必要です。電子移動度やバンドギャップといった電気特性はポリタイプの選択に非常に敏感であるため、厳密な制御が求められます。現在、4H-SiCは、高いキャリア移動度と破壊電界強度といった優れた電気特性により市場を席巻しており、パワーデバイスに最適です。

 

3. プロセスの複雑さの比較

 

セラミックグレードのSiCは、比較的シンプルな製造プロセス（粉末調製→成形→焼結）を採用しており、「レンガ製造」に似ています。そのプロセスは以下のとおりです。

 

• 市販グレードのSiC粉末（通常はミクロンサイズ）をバインダーと混合する
• プレスによる成形
• 高温焼結（1600～2200℃）により粒子拡散による緻密化を実現
  ほとんどの用途では、90%を超える密度で十分です。プロセス全体を通して精密な結晶成長制御は必要なく、成形と焼結の均一性に重点が置かれています。複雑な形状にも対応できる柔軟性が利点ですが、純度要件は比較的低くなります。

 

半導体グレードのSiCは、はるかに複雑なプロセス（高純度粉末の準備 → 単結晶基板の成長 → エピタキシャルウェーハの堆積 → デバイスの製造）を必要とします。主なステップは以下のとおりです。

 

• 主に物理蒸気輸送（PVT）法による基板の準備
• 極限条件（2200～2400℃、高真空）でのSiC粉末の昇華
• 温度勾配（±1°C）と圧力パラメータの正確な制御
• 化学蒸着（CVD）によるエピタキシャル層成長により、均一な厚さのドーピング層（通常は数～数十ミクロン）を形成する。
  プロセス全体を通して、汚染を防ぐため、超クリーンな環境（例：クラス10クリーンルーム）が求められます。プロセス精度が極めて高く、熱場とガス流量の制御が求められるほか、原材料の純度（99.9999%以上）と装置の高度化の両方において厳格な要件が求められます。

 

4. 大きなコストの違いと市場志向

 

セラミックグレードSiCの特徴:

• 原材料：業務用粉末
• 比較的単純なプロセス
• 低コスト：1トンあたり数千～数万元
• 幅広い用途: 研磨材、耐火物、その他のコスト重視の産業

 

半導体グレードSiCの特徴:

• 長い基質成長サイクル
• 困難な欠陥管理
• 低い利回り
• 高コスト：6インチ基板あたり数千ドル
• 重点市場: パワーデバイスやRFコンポーネントなどの高性能エレクトロニクス
  新エネルギー車と5G通信の急速な発展により、市場の需要は飛躍的に成長しています。

 

5. 差別化されたアプリケーションシナリオ

 

セラミックグレードのSiCは、主に構造用途において「産業の主力材料」として活躍しています。優れた機械的特性（高硬度、耐摩耗性）と熱的特性（耐高温性、耐酸化性）を活かし、以下の点で優れた性能を発揮します。

 

• 研磨材（グラインダー、サンドペーパー）
• 耐火物（高温窯のライニング）
• 耐摩耗性・耐腐食性部品（ポンプ本体、パイプライニング）

 

炭化ケイ素セラミック構造部品

 

半導体グレードのSiCは、その広いバンドギャップの半導体特性を活かして、電子デバイスにおいて独自の利点を発揮し、「電子エリート」として機能します。

 

• パワーデバイス：EVインバータ、グリッドコンバータ（電力変換効率の向上）
• RFデバイス：5G基地局、レーダーシステム（より高い動作周波数を実現）
• オプトエレクトロニクス：青色LED用基板材料

 

200ミリメートルSiCエピタキシャルウエハ

 

寸法	セラミックグレードSiC	半導体グレードSiC
結晶構造	多結晶、複数のポリタイプ	単結晶、厳選されたポリタイプ
プロセスフォーカス	緻密化と形状制御	結晶品質と電気特性の制御
パフォーマンス優先	機械的強度、耐腐食性、熱安定性	電気特性（バンドギャップ、破壊電界など）
アプリケーションシナリオ	構造部品、耐摩耗部品、高温部品	高出力デバイス、高周波デバイス、光電子デバイス
コスト要因	プロセスの柔軟性、原材料コスト	結晶成長速度、装置の精度、原料の純度

 

まとめると、根本的な違いは、それぞれの機能的用途の違いに起因しています。セラミックグレードSiCは「形状（構造）」を、半導体グレードSiCは「特性（電気的特性）」をそれぞれ利用しています。前者はコスト効率の高い機械的・熱的性能を追求し、後者は高純度単結晶機能性材料として材料調製技術の最高峰を体現しています。セラミックグレードSiCと半導体グレードSiCは、化学的起源は同じですが、純度、結晶構造、製造プロセスには明確な違いがあります。しかし、どちらもそれぞれの分野において、産業生産と技術進歩に大きく貢献しています。