(408) 844-7100
ホーム / 業界ニュース / シリコンカーバイトレースが始まる

シリコンカーバイトレースが始まる

Semiconductor Engineering

2021年9月20日

さまざまな自動車用チップにシリコンカーバイド（SiC）が採用されるケースが増えており、ほとんどのチップメーカーがこれを比較的安全な賭けとみなす転換点に達し、このワイドバンドギャップ技術を主流に押し上げるための競争が始まっている。

SiC は、多くの自動車用アプリケーション、特にバッテリー電気自動車に大きな期待が寄せられている。SiCは、シリコンに比べて1回の充電で走行できる距離を延ばし、バッテリーの充電にかかる時間を短縮し、同じ距離をより少ないバッテリー容量と重量で実現することで、全体的な効率方程式に貢献することができる。現在の課題は、こうしたデバイスの製造コストを下げることであり、これがSiC工場が6インチ（150mm）から8インチ（200mm）ウェハーに移行している理由である。

「これらの魅力的な利点により、BEVにおけるSiCの大量採用が進み、規模の経済によるSiC製造コストの削減がもたらされます」SiCとGaNパワーエレクトロニクスの採用を加速するために米国エネルギー省によって設立されたパワーアメリカ製造業協会のエグゼクティブ ディレクター兼CTOであるビクター ヴェリアディス氏は、次のように述べた。「これはSiCメーカーが注力している主要な量産アプリケーションであり、製造拡大の原動力となっています。また、多くの新規参入者がSiC分野に参入している理由であり、BEV設計の受注をめぐる熾烈な競争が見られる理由でもあります」

SiCは、トラクション インバーター、DC-DCコンバーター、車載充電器など、いくつかのEVシステムに挿入されていると、パワーアメリカを管理するノースカロライナ州立大学の電気工学教授であるヴェリアディス氏は言う。この技術は、BEVの充電時間の短縮にも役立つ。

「高電圧SiCパワー デバイスは、EVが消費者に広く受け入れられるための最後の大きな障壁を取り除く急速充電インフラを実現する上でも重要な役割を果たす」と同氏は述べた。「SiCは高電圧で高効率であるため、従来型自動車の満タン充電に匹敵する急速充電が可能になる」

2017年にTeslaがメインインバーターにSiCを採用したのに続き、車載はSiCのキラーアプリケーションになったと、Yole Développementの化合物半導体・新興基板チームリードアナリストのエズギ ドグマス氏は指摘する。「それ以来、ほぼすべての自動車メーカーとTier 1がSiCに関心を寄せている。BYD、Toyota、Hyundaiは、自社のEVモデルにSiCを採用し、Audi、GM、Nio、Volkswagenもこれに続くと予想されています」「SiCソリューションのデザインウィンが大幅に増加していることから、2020年から2026年までの見通しは明るいと予測しています。実際、自動車市場は間違いなく最大の牽引役であり、2026年にはSiCデバイス市場全体の60%以上のシェアを占めるだろう」

ドグマス氏は、EVアプリケーションとともに、SiCを充電インフラに採用する傾向もあると見ており、そこではSiCの効率向上とシステム規模の縮小が実現される。さらにSiCは、鉄道、モーター駆動、太陽光発電などの用途で、2019年から2026年にかけて2桁の複合年間成長率で成長すると予測されている。

SiCとGaNの比較
パワーエレクトロニクスにおけるSiCには、標準的なシリコンや、 窒化ガリウム (GaN)のような他のワイドバンドギャップ半導体と比較して、大きな利点があります。

「シリコン MOSFET は、数十年にわたる漸進的な成長と改良を経て、理論上の限界に近づいています」と ドグマス 氏は言います。「歴史的に、これらの MOSFET 製品は、対象アプリケーションには十分でした。同時に、SiC や GaN などの革新的なワイドバンドギャップ材料は、シリコンベースのデバイスを超えるパフォーマンス特性を示します」と ドグマス 氏は言います。「高いブレークダウン電圧、高速スイッチング、小型フォームファクタを備えたワイドバンドギャップ材料は、電力市場産業を補完する有望な候補です。さらに、システムあたりの受動部品の数を減らすことができるため、コンパクトな設計になります。ただし、これらの材料はシリコンに比べて依然として高価です」

これに同意する人もいる。Infineon Technologiesのシニア ディレクター兼高電圧変換製品マーケティング責任者であるロバート ヘルマン氏によれば、大局的に見れば、シリコン、シリコンカーバイト、窒化ガリウムの位置づけは単純である。「高温、高出力、高スイッチング周波数が混在する場合、シリコンに比べシリコンカーバイトが最も有利です。これは、メイン インバータと車載充電のシステムコスト削減につながります」

もう一つの主要なワイドバンドギャップ技術である窒化ガリウムは、効率がさらに高く、周波数特性も改善されている。「この2つの要素が、シリコンカーバイトに比べて電力密度をより高いレベルに押し上げるのです」とヘルマンは言う。「しかし、この利点を引き出すには、より大きなシステム変更を達成する必要がある。また、相補的な半導体や受動素子も利用可能であるべきだ」

しかし今のところ、EVアプリケーションやハイパワーシステム向けのインバーターにおけるSiCの本当の競争相手はシリコンである、とYoleのドグマス氏は言う。「SiCの場合、高電圧でのコスト パフォーマンス比は魅力的です。例えば、800Vのバッテリー自動車に1,200VのSiCデバイスを実装することは、大きな市場機会となるでしょう。一方、GaNは携帯電話アプリケーションの急速充電市場に浸透し続けるだろう。実際、低電力では、GaN は SiC に比べてコスト・ベネフィットが優れている。GaNはまた、3kW未満のシステム向けのデータコムおよびテレコムの電力市場、ならびにEVアプリケーションのOBCおよびDC-DCコンバーターにも浸透すると予想される」

SiCの利点は障壁を上回る
まだすべての試験・検査工程が完全に解明されたわけではないし、車載用途で欠陥ゼロを求めるのは、どんな新素材にとっても高いハードルだ。しかし、多くの半導体メーカーは、これらの問題は比較的早く克服できると考えており、電気自動車におけるSiCチップの見通しについては極めて強気な姿勢を崩していない。

Rohm Semiconductorのテクニカル マーケティング マネージャーであるミン スー氏は、「SiCパワー ダイオードは長年にわたり商業的に使用されてきましたが、SiC MOSFETはSiCパワー エレクトロニクスの市場環境を急速に変化させるゲーム チェンジャーです」「最近の市場成長の主な原動力の1つはEVパワーシステムです。数年前にSiC MOSFET技術が車載用トラクション インバータに初めて採用されて以来、エネルギー効率とシステム サイズ縮小におけるシリコン デバイスを上回るSiCの利点は、自動車業界に広く受け入れられています」と語った。

現在、ほぼすべての自動車メーカーやEV新興企業がすでにSiCを採用しているか、EVのトラクション インバーターやオンボード チャージャーにSiCを採用するための製品設計段階にある、とスー氏は言う。「SiCデバイスは燃料電池車にも採用されている。SiCを使用したその他の車載用パワー コンバータには、バッテリー電圧を12Vまたは48Vに降圧するDC-DCコンバータ、ワイヤレス バッテリー チャージャーなどがある」

欧州連合（EU）やその他の地域が定めたCO2排出規制などの政府規制に後押しされ、EVは今、大ブームを迎えている。「また、楽しいドライビング体験を楽しみつつも、環境を保護したいという人々の強い願望も、EVブームを後押ししています」と、Infineonのヘルマン氏は語る。「このことは、自動車生産がニッチから大衆市場へと移行し、OEMメーカーにとって価格圧力が高まることを意味します。このような状況において、シリコンカーバイトは、EVパワー アプリケーションの様々なトレンドをサポートするため、非常に重要な役割を果たします」

その結果、OEMには新たな選択肢が次々と生まれ、チップメーカーにも多くのチャンスがもたらされることになる。

「シリコン カーバイドとIGBTの技術的メリットの1つは、エネルギー効率が高いことです。このことは、車載用インバーターによく表れており、数パーセントのポイントがそのまま航続距離の拡大やバッテリーの小型化につながります」とヘルマン氏は語った。「電力損失が減少すれば、熱管理も簡素化される。つまり、純粋なパワー半導体のコストはIGBTに比べて高いが、SiCはシステム コストを大幅に削減する。EV車の購入者にとっては、より低コストでより長い航続距離というシンプルな方程式が成り立つ」

SiCの効率は、車内スペースの拡大にもつながる。「シリコンカーバイトは、車載充電という別の用途を通じて、より広いスペースに直接貢献することができます」と同氏は述べた。「航続距離を伸ばすには、バッテリーの容量を増やす必要があります。つまり、車載充電の電力レベルを上げなければ、一晩中バッテリーをフル充電することは不可能なのです。さらに、ビークル ツー グリッドのような双方向充電を必要とするユースケースも増えている。設計や技術的な対策がなければ、車載充電器は大型化し、車内の既存のスペースを奪うことになる。シリコンカーバイトでは、効率が向上するだけでなく、より高いスイッチング周波数が実現できる。その結果、受動部品が小型化され、冷却の手間も軽減される。実際、シリコン カーバイドの電力密度は、従来のシリコン ベースのソリューションに比べて2倍になり、野心的な設計目標を実現し、車載充電器のサイズを縮小できると考えています」

自動車メーカーは、EVに不必要な重量とサイズを追加することになる電気コネクターのサイズを拡大することなく、車両とさまざまなアプリケーションで利用可能な電力量を増やすために、800V DCバスに移行している。SiCはシリコンよりもこうした用途に効率的で、余分な熱を発生させる損失を低減する。

「この電圧の結果として、400Vのバッテリーやシステムにより適した650Vの代わりに、1,200V定格のSiC MOSFETが適切な設計選択となります」と、 STMicroelectronicsのパワー トランジスタMACRO事業部で戦略マーケティング、イノベーション、主要プログラム マネージャーを務めるフィリッポ ディジョバンニ氏は述べた。「つまり、SiCを搭載したインバータは本質的に効率が高く、その結果、一定容量のバッテリでより長い駆動距離を実現できます。また、SiCの冷却要件がそれほど厳しくないことも大きなプラスです。GaNトランジスタ（または高電子移動度トランジスタ、HEMT）も、電気自動車のトラクション インバータのような高電圧用途では効率面で有利なため使用できるが、SiCは横方向の構造を持ち、SiC MOSFETほど簡単に高電圧を許容できないGaNよりも効率が高い」

SiCは次世代半導体の主要材料であり、SiCパワー スイッチング デバイスに技術的な利点をもたらし、電気自動車EV、EV充電、エネルギー インフラにおけるシステム効率を大幅に改善します」と、onsemiの電気自動車トラクション パワー モジュール ビジネス ユニットのバイス プレジデント兼ジェネラル マネージャー、ブレット ザーン氏は述べています。「SiCパワーモジュールは人気の高い要求ですが、SiCベアダイ セグメントも急速に成長しています」

より高い電圧、より低い総コスト
急速充電のための高電圧アーキテクチャへの移行は、BEVにとって広範な意味を持つ。

「高電圧では、SiC の効率の優位性がシリコンの同等品に比べてより顕著になります」と ヴェリアディス氏は言います。「現在、ほぼすべての BEV メーカーは 400V で設計しており、シリコンは非常に競争力があります。電圧を高く (たとえば 800 ～ 1,000V) することで、より高速な充電が可能になり、重量が減り、ワイヤがはるかに細くなるため、パッケージングが改善されます。電圧が高くなると、同じ電力レベルで電流アンペアが少なくなるためです。」

これにより、コストを削減し、システム全体の効率を高めることができます。「EV の顧客は、内燃機関製品と同等の価格設定を望んでいます。そこに到達するには、さらに作業が必要です」と、彼は述べています。「EV における SiC とシリコンの価格設定に関しては、今日の SiC デバイスの高コストは、高周波動作や冷却要件の軽減など、SiC の利点によってもたらされるシステム全体の簡素化によって相殺されます。さらに、SiC の効率が高いため、EV の大きなコストを占めるバッテリーの数が減ります。したがって、全体として、EV における SiC は競争力があり、シリコン ソリューションよりも安価になる可能性があります。大量の SiC EV 導入における主な障壁は、信頼性と耐久性に関する懸念、およびテクノロジーを実装するための訓練を受けた労働力の不足です」

急速充電では、より低い電流で同じ電力を得るために、より高電圧のアーキテクチャが必要になるため（重量、体積、配線コストが低減される）、SiCの価値提案はさらに顕著になるだろう、と同氏は付け加えた。

こうした技術を後押しし、効率を高めるためもあって、OEMの垂直統合が進んでいる。その結果、ティア1やティア2のベンダーはさらなるコスト削減を迫られている。また、高い需要を満たすために、最初のウェハーから製造されたデバイスに至るまで、途切れることのないサプライチェーンを確保することにも役立っている。

このことが、M&Aを含むSiC分野への投資の波に火をつけている。「業界の買収はトレンドです」ヴェリアディス氏は語った。「新規参入企業が、SiC技術で長い歴史を持つ企業と効果的かつタイムリーに競争するためには、専門知識を補完するSiC企業を買収することで、相乗効果と市場投入のスピードがもたらされます」

その一例として、onsemiは8月、シリコンカーバイト（SiC）結晶成長技術と基板のメーカーであるGT Advanced Technologiesを買収する正式契約を締結したと発表した。

「現在、バッテリー電圧は400Vが主流ですが、2024年以降の生産に向けて800Vバッテリーシステムのニーズが高まっています」onsemiのザーン氏は語った。「これらのシステムは、配電損失や車内および充電ステーションでのケーブルサイズの増大を招くことなく、密度と効率の向上を可能にすることで、1回の充電でより長い走行距離を実現するため、標準となる可能性が高い。シリコン テクノロジーに対するSiCの優位性は、800Vバスで要求される定格電圧1,200Vでさらに顕著になる。SiCはより高いスイッチング周波数で動作し、パッケージングによって制限される高温でも動作する可能性がある。テスラがSiCの導入に成功し、航続距離を伸ばす必要性があることから、多くのOEMがSiC電気ドライブトレインの導入に熱心に取り組んでいます」

結論
排出ガス削減を求める各国政府の圧力とBEVの人気の高まりが、シリコンカーバイトや他のワイドバンドギャップ材料を最前線に押し上げている。しかし、これにはすべて時間がかかる。今のところ、SiCとGaNが、一部の自動車用アプリケーションでシリコンに取って代わる有力候補である。

どのような新素材にも、歩留まり、欠陥率、さまざまな製造工程などの面で支払うべき代償はあるが、SiCには、自動車メーカーが電気自動車のさまざまな部品に設計を開始するのに十分な利点がある。自動車業界がこの技術を主流に押し上げ、価格へのプレッシャーをかけ、製造工程で発生する可能性のある問題を解決していくにつれて、SiCの使用はこれからさらに拡大すると予想される。