シリコンカーバイド：グリーンエネルギー革命を推進する

シリコン時代におけるシリコンカーバイドの台頭

はるか遠い未来、歴史家は私たちの時代をシリコン時代と呼ぶかもしれません。一見すると、これはコンピュータ、スマートフォン、家電、そしてもしかすると近い将来は私たちの脳さえもに至る、至る所にあるシリコンチップのおかげのように思えます。

しかし、シリコンは普通の砂に含まれる豊富な素材であり、唯一の用途ではありません。ポリシリコンはほとんどの太陽光パネルの基本部品であり、太陽エネルギー経済に近づく手助けをしています。

シリコンをベースとした新しい素材が同様に重要になりつつありますが、投資家や一般の人々にはあまり知られていません: シリコンカーバイドです。

このシリコンと炭素の組み合わせは、いくつかの重要な特性においてシリコン単体より優れています：

• シリコン単体に比べて電界耐性が10倍高く、非常に大きな電力負荷を処理できます。
  • その結果、シリコンカーバイドデバイスは小型化でき、オン・オフの切り替えがより高速になります。
• 「通常」のシリコンの3倍の熱伝導率を持ち、高電流時の熱放散がはるかに速くなります。
• 損失がはるかに小さくなるため、効率が向上し、不要な熱生成もさらに減少します。

これらの特性により、シリコンカーバイドは高出力を必要とするあらゆる用途やエレクトロニクス、例えば太陽光インバータ、電気自動車、産業用電源などに不可欠となっています。

シリコンカーバイド 101

シリコンカーバイドはカーボランダム、またはSiCとも呼ばれ、隕石中に自然に存在しますが、地球上ではほとんど見られません。

出典: Global IMI

この素材は多数の結晶形態を持ち、200以上の異なる構造があり、それぞれが若干異なる化学的・物理的特性を示します。

出典: MRF

電気伝導性と熱伝導性に関して、シリコンカーバイドはほぼすべての指標でシリコンを大きく上回ります。

出典: MRF

シリコンカーバイドの生産

シリコンカーバイドの大量生産は比較的簡単で、1893年に電気バッチ炉という方法で特許が取得されました。このプロセスはシリカ（砂）と炭素（コークス炭）を混合し、通常1,600°C〜2,500°C（2,900°F〜4,500°F）の高温で加熱します。

窒素とアルミニウムはこの製造工程で一般的な不純物であり、SiCの電気伝導性に影響を与えます。

代替手法として、主に高純度が求められる電子部品の製造に使用されるものに、物理蒸着輸送（PVT）、化学蒸着（CVD）、液相エピタキシー（LPE）があります。

これらの方法はシリコンカーバイドの供給方法に違いがありますが、いずれも最初に結晶を生成し、それを成長させるという考え方を共有しています。大きな結晶はシリコンウェーハの製造と同様に、極薄のシリコンカーバイドウェーハへと切断されます。

出典: MRF

全体として、シリコンカーバイドの製造プロセスとサプライチェーンはシリコン産業と非常に類似しており、CVDやウェーハなども同様です。

材料が取り得る200以上の結晶形態があるため、生産プロセスはテストが必要で、大規模生産のためには正確な計算が求められます。これらのプロセス情報は通常各社の機密であるため、シリコンカーバイド製造の特定プロセスを創出する初期段階でR&Dが必要です。

世界のシリコンカーバイド生産の半分は中国にあり、生産能力は2023年レベルから2027年までにほぼ4倍に拡大すると予測されています。

出典: McKinsey

シリコンカーバイド市場

シリコンカーバイドは2024年時点でまだ小規模市場で、価値はわずか42億ドルです。しかし、年平均成長率34.5%で急速に拡大し、2034年までに802億ドルに達すると予想されています。

出典: Markets & Markets

成長の大半は電力用途（SiCモジュール）から来ると予想され、シリコンカーバイド全体の需要を押し上げます。

市場は金属不純物を含むブラックシリコンカーバイドと、高純度のグリーンシリコンカーバイドに分かれます。

ブラックシリコンカーバイドは主に安価な研磨材として生産され、グリーンシリコンカーバイドや結晶の直接生産（「その他のタイプ」）はハイテク用途に使用される原料です。

出典: Global Market Insights

電力用途では、電気自動車やハイブリッド、燃料電池車などのグリーン車両がシリコンカーバイド需要増加の主要な原動力になると予想されています。

出典: McKinsey

シリコンカーバイドの応用

電気自動車におけるシリコンカーバイド

今後10年で最も重要なシリコンカーバイドの応用は電力エレクトロニクスであり、この素材が最も欠かせない分野です。

このカテゴリの最大のサブセクションは電気自動車で、年率31%の成長が見込まれています。SiCは電力エレクトロニクスやコントローラだけでなく、バッテリー、モニタリングシステム、充電器（車内および充電ステーション）にも搭載されています。

出典: EV Mechanica

2023年には、シリコンカーバイドインバータが電気自動車の航続距離を7%伸ばすことが実証されました。それ以来、多くの新型EV設計がより多くのSiC部品を組み込むようになっています。

EVセグメントからの需要増加は、トラックなどの大型車両が電動化に転換した場合、さらに過小評価されている可能性があります。これらははるかに強力な充電システムと多数のEVを動かすためのバッテリーパックを必要とします。

シリコンカーバイドはいわゆる「スーパーチャージャー」の鍵でもあり、EV普及のボトルネック解消に重要で、充電時間を数分に短縮することを目指しています。

熱ストレスの低減とより安定した電力供給は、バッテリー寿命の向上にも寄与します。

グリーンエネルギーと太陽光におけるシリコンカーバイドの役割

太陽光発電用のSiCベースインバータは最大99%の効率を達成でき、従来のシリコンベースインバータは96〜98%にとどまります。小さな差に見えますが、太陽光設置の寿命全体で大きな余剰エネルギーを生み出します。

シリコンカーバイドは熱耐性も高く、300℃までの温度に耐え、シリコンデバイスは一般に150℃が上限です、さらに電圧は10倍です。

総じて、SiCインバータは従来のシリコンベースインバータよりも効率が高く、耐久性があり、サイズが小さく、コストも低くなります。

シリコンカーバイドのその他ハイテク用途

シリコンカーバイドはロボティクスなど多くの用途でますます使用されており、SiCの優れた性能によりモータードライブを小型化し、関節部に直接配置でき、複雑さと配線が大幅に削減されます。

出典: Arrow

データセンターでも重要性が増しており、AIからの高出力チップと電力需要がシリコンでは提供できないほど強力な電源と制御エレクトロニクスを必要としています。

シリコンカーバイド結晶は1907年に最初のLED製作に使用されました。その後、1970〜80年代に西側諸国とソ連で大量生産され、後にガリウムナイトライドに置き換えられ、10〜100倍明るい光を放ち、現在のLED普及につながりました。

しかし、SiCは依然としてLEDの基板として使用され、ガリウムナイトライドが堆積され、強力なLEDの熱拡散にも利用されています。

研磨材

SiCは非常に硬い素材で、研削ホイール、サンドペーパー、金属やセラミックの研削などの研磨製品に利用されます。通常、低品質で安価な不純物が多いブラックSiCがこれらの用途に使用されます。

高純度のSiCは切削工具にも使用され、極めて高い硬度と高純度によりさらに強く、脆さが低減されます。

保護材料

高硬度と熱耐性の組み合わせにより、SiCは他の用途でも重要です。一般に焼結（部分溶融）されて硬質セラミックになります。

一例として、個人用防弾装備のセラミック装甲板の製造に使用され、市場の27%をSiCが占めています。ヘリコプターの装甲にも利用されています。

これらの硬化セラミックは自動車のブレーキやクラッチにも使用されます。

シリコンカーバイドセラミックは航空宇宙用途でも使用され、例えばNASAのLOFTIDインフレータブル熱シールドの外部熱保護層に利用されています。

別の宇宙向け用途として、天文望遠鏡の製造に使用され、化学蒸着により大径のSiCディスクが鏡として利用されます。低熱膨張性は望遠鏡の精密機構のフレームにも適しています。

化学触媒

シリコンカーバイドの電気に対する高い反応性は、新しい電気触媒形態の候補となります。これらの反応は通常、表面積が大きい立方体シリコンカーバイド結晶を利用します。

例えば、最近光触媒による水素生成、すなわち太陽光で水を直接分解する改良型光触媒として有望であることが判明しました。

立方体シリコンカーバイドは炭化水素の酸化触媒の支持体としても使用できます。

最後に、シリコンカーバイドはグラフェン半導体の成長に利用できる可能性があります。

原子力エネルギー

シリコンカーバイドは中性子吸収能力が非常に高く、原子燃料の被覆材や核廃棄物の封じ込めに使用されます。

SiCセンサーは核施設やその他の放射線検出用途（環境、医療など）で放射線レベルを監視するために使用されます。

SiCの放射線と熱変動への耐性は、宇宙向け核炉に適した素材であり、NASAや他国が月や将来的には火星基地を計画するなど、成長中の分野です。

宝石

炭素を基にした結晶であるSiCは、ダイヤモンド（純炭素）と多くの特性を共有し、宝石業界では「合成モアッサナイト」と呼ばれます。ダイヤモンドと容易に見分けがつかないことがあります。

出典: MRF

希土類リスクの緩和とSiC

貿易戦争、関税、制裁が米中貿易関係を混乱させる中、自動車産業は中国製希土類材料の枯渇という深刻な問題に直面しています。例えば、フォードが工場を閉鎖した事例があります。

「日々のことです。工場を閉鎖せざるを得ませんでした。現在は手探りの状態です。」

ジム・ファーリー – フォードCEO

シリコンカーバイドは、別励磁同期モータを可能にし、希土類を必要とする永久磁石の必要性を排除するため、この分野で役立ちます。

したがって、EVサプライチェーンが深刻に混乱すればシリコンカーバイド企業は打撃を受ける可能性がありますが、逆に将来的に新しいEV設計でより広く採用され、中国の希土類供給への依存と依存度を低減することが期待されます。

結論

シリコンカーバイドは新素材ではありませんが、超純粋で小型のエレクトロニクスの大量生産が可能になり、電気特性が格段に優れています。

これにより多くの新しい応用が可能となり、現在は急速に成長するさまざまな産業、特にEVと太陽エネルギー分野で、従来のシリコンベースの選択肢に取って代わる形で広く採用されています。

世界の産業と輸送が電化すればするほど、シリコンカーバイドの需要は増大します。より高い電力需要は、より強力な充電器、バッテリー、コントローラを必要とし、迅速かつ安全な充電や耐久性の高いバッテリーを実現します。

これらの応用に加えて、SiCの大量生産と製造方法の改善によりコストが低減され、装甲、熱シールド、航空宇宙、工具などの他の用途でもシリコンカーバイドの採用が進むと予想されます。

最後に、シリコンカーバイドを用いたグリーン水素の製造など、新たな潜在的応用分野も開拓されつつあります。

総じて、シリコンカーバイドは将来的に一般の認知度が大幅に高まるでしょう。今後10年で年平均成長率20〜30%が見込まれるため、投資家はこの小規模ながら急成長する半導体産業のサブセクションに注目すべきです。

シリコンカーバイド企業

ON Semi

ON Semiは電化に特化した半導体企業で、自動車だけでなく、太陽エネルギー、バッテリー、航空宇宙、通信、データセンター、医療などの分野にも携わっています。

そのため、世界最大級の産業企業の多くにとって重要なパートナーです。

出典: ON Semi

ON Semiの技術的優位性の大部分はシリコンカーバイドに基づいており、特に電気自動車の高速充電に必要な非常に高い電力負荷において顕著です。

シリコンカーバイドへの注力戦略により、同社は過去数年で収益が大幅に急増し、EV革命に牽引されています。

出典: ON Semi

シリコンカーバイドセンサーはエネルギー効率が高く、低照度環境でも性能が向上し、安全な自動運転車の構築に重要です。

ON Semiのシリコンカーバイド製品は、大小さまざまな太陽光発電設備、データセンター、そして超音波、電気化学（血糖測定など）、金属物体検知などあらゆる種類のセンサーにも使用されています。

電化の潮流に乗り、ON Semiは世界のSiC収益の10%を占め、欧州のInfineon（IFNNY）や広範な半導体企業STMicroelectronics (STM ) と競合する北米の主要企業の一つです。

出典: McKinsey

西側の産業サプライチェーンが中国供給から離れ再配置される中、ON Semiは特にEVやその他のグリーンエネルギー分野で電化トレンドから大きな恩恵を受ける可能性があります。

（この会社についての詳細な記事は “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification」でも読むことができます。）

Aehr Test Systems

Aehrはシリコンカーバイドを専門とする半導体企業です。

具体的には、シリコンカーバイドウェーハのテスト装置を製造しており、これによりEV自動車、スマートフォン、コンピュータチップ、フォトニクス／通信分野に関与しています。

出典: Aehr

このため、Aehrは非常にニッチで技術的な企業であり、シリコンカーバイドパワー半導体の重要な製造工程の業界標準になる道を歩んでいると主張しています。

Aehrは新市場の開拓にも積極的で、特に光伏インバータなど高出力用途で使用されるガリウムナイトライドのバーンイン市場に参入し、シリコンベースのパワーエレクトロニクスの代替にも関与しています。

これにより、AehrはTSMC、Texas Instruments、Seagate、Nvidia、Cisco、Qualcomm、Boschなど、半導体・ツール業界の主要企業を顧客に持つ非常に多様な顧客基盤を有しています。

出典: Aehr

同社はシリコンフォトニクスなど、半導体業界の新興セグメントから大きな利益を得る可能性があります。

現在、EVサプライチェーン内の別のニッチ（シリコンカーバイドパワーエレクトロニクス）における小さく重要なニッチ（シリコンカーバイドテスト）を占めているため、バッテリー技術や車種、充電プラグ規格の変化に関係なく、EV生産量の増加から恩恵を受けやすい立場にあります。

2023年に株価が大幅に急騰し、EV関連株の熱狂のピークを迎えた後、同社は現在、より妥当な評価に戻り、シリコンカーバイドセクターの投資家にとって「ピック・アンド・シャベル」オプションを提供しています。