炭化ケイ素（SiC）とは

はじめに

近年、**炭化ケイ素（Silicon Carbide, SiC）**は、半導体デバイスから研磨材、耐火材に至るまで幅広い分野で注目を集めています。特に電気自動車（EV）や再生可能エネルギー分野では、高効率・高耐熱の次世代パワーデバイス材料として採用が拡大しています。本記事では、SiCの基本的な性質から主要な応用分野までを体系的に解説します。

炭化ケイ素とは

炭化ケイ素は、化学式 SiC で表される炭素とケイ素の化合物です。天然では非常にまれに「モアッサナイト（Moissanite）」として産出しますが、実用的な供給はほぼすべて人工的に生成されています。

結晶構造

• α型（六方晶系）：多様な多形を持ち、高温安定型として知られる。

• β型（立方晶系）：室温〜1700℃程度まで安定。パワーデバイス用途で特に重要。

SiCは多数の多形（ポリタイプ）を持ち、4H-SiC、6H-SiC はパワー半導体の基板として主流になっています。

人工生成の歴史

SiCは1891年、米国のエドワード・グッドリッチ・アチソンによって初めて工業的に合成されました。以来、研磨材や耐火材として利用され、近年はエレクトロニクス材料としての地位を確立しています。

優れた基本特性

SiCは、従来のシリコン（Si）と比較して数多くの優れた特性を持ちます。以下の表に代表的な数値を示します。

特性の要点

• 高耐熱性：極めて高い融点を持ち、高温環境でも安定。

• 高熱伝導率：放熱特性が高く、パワーデバイスで重要。

• 高硬度：モース硬度9はコランダム（Al₂O₃）に匹敵。

• 化学的安定性：酸化や腐食に強く、過酷環境で使用可能。

• ワイドバンドギャップ半導体：高耐圧・高効率の半導体特性を発揮。

主な応用分野

パワーデバイス

• MOSFETや**ショットキーバリアダイオード（SBD）**で採用。

• 特徴：

  • 高耐圧 → EVインバータや鉄道用電源に適用

  • 高効率 → スイッチング損失が小さく、省エネ化に寄与

  • 高温動作 → 冷却システムの小型化が可能

研磨材

• SiC粉末は研磨紙、ラッピング材、ポリッシング材として利用。

• 高硬度・脆性により、精密研磨や硬質材料の仕上げ加工に有効。

耐火材

• 耐火レンガや炉材に添加され、高温耐性を向上。

• 鉄鋼・ガラス・セラミックス産業で不可欠な材料。

構造材

• SiCセラミックス複合材料は、航空宇宙やガスタービンに応用。

• 軽量・高強度・耐熱性の組み合わせに優れる。

耐耗材

• ポンプシール、バルブ部品、ベアリングなど摩耗が激しい箇所に利用。

• 耐摩耗性と耐食性の両立が可能。

まとめ

炭化ケイ素（SiC）は、高耐熱性・高硬度・高効率半導体特性を併せ持つ先端材料です。
従来のシリコンでは限界のある高電圧・高温環境でも安定して動作できることから、次世代パワーエレクトロニクスの中心的材料として期待されています。さらに、古くからの研磨材・耐火材用途でも欠かせない存在です。

今後、EVの普及、省エネルギー化、カーボンニュートラル社会の実現に向けて、SiCの需要は飛躍的に拡大していくと見込まれます。