SiC（炭化ケイ素）は、半導体材料のSiと炭素の1:1化合物です。粉の場合はカーボランダムという研磨剤ですが、単結晶は写真にあるように、透明な物質です。硬く、化学薬品に非常に強いです。
Siはダイヤモンド型構造、炭素はダイヤモンド型構造とグラファイト型構造をとります。これらを混ぜるとどうなるか、というところですが、答は四面体が三次元的につながっているがダイヤモンド型のような立方晶ではなく、六方晶です。さらに、2原子層がつくる六方格子ＡがずれたＢ、60度回転したＣが組み合わさって結晶多型が生じます。
https://en.wikipedia.org/wiki/Polymorphs_of_silicon_carbide
2H型(AB)(AB)(AB)・・・
4H型(ABCB)(ABCB)・・・
6H型(ABCACB)(ABCACB)・・・
かっこで示したのが繰り返し単位で、多型の名称(6Hなど)の数字は繰り返し単位の中のABCの数です。Hは六方晶hexagonalの意味です。デバイスに使うのは4Hです。
多型はエネルギーが近いので作り分けが難しく、成長条件で作り分けはできるのですが、条件の変動で不純な多型が混じってしまいます。これはデバイス性能をダメにしてしまいます。
このあたりを解決したのがCree社です。気相成長(昇華精製)の精密化が秘訣でした。種結晶と原料を同じるつぼに入れ、温度を管理しながら原料を昇華させて種結晶に着けていきます。必要な温度が下記図にあるように2100℃超と非常に高いので、装置からの意図しない不純物等、設備面で苦労したと想像します。
https://www.researchgate.net/publication/320523836_Power_Electronic_Semiconductor_Materials_for_Automotive_and_Energy_Saving_Applications_-_SiC_GaN_Ga2O3_and_Diamond/figures?lo=1
Cree社の基本特許は下記です。
https://patents.justia.com/patent/20130181231
結局、精密な温度制御や不純物を減らす等、地道な技術を磨けばできる、と読めます。高価で利益率が高い物なので（現在、4インチ1枚10万円 cf. シリコンウェファは5000円）、当然、模倣者が出てくるでしょう。特許が守ってくれるかというと、このくらい単純だと少し手を加えて特許逃れをしたり争ったりする余地が出てきます。特許を取らないでいてもライバルが退職者を高給で雇ったりすればノウハウが流出します。教訓としてはこのあたりをよく考える必要がありそうです。
英語は https://patents.justia.com/patent/20130181231
”The present invention relates to a micropipe-free silicon carbide, micropipe-free silicon carbide single crystal wafers, and related methods of manufacture.”
relates to 本発明は・・・に関する。 特許の文章の独特の言い回しです。
manufacture 製造
“SiC has excellent electrical properties, including radiation hardness, high breakdown field, a relatively wide band gap, high saturated electron drift velocity, high-temperature operation, and absorption and emission of high-energy photons in the blue, violet, and ultraviolet regions of the optical spectrum.”
, including … ～を含む
radiation hardness 放射線耐性
high saturated electron drift velocity 電子ドリフト速度の高い飽和値(=電界を加えても加速できなくなる最高速度）
” A micropipe is a hollow core, super-screw dislocation with its Burgers vector typically lying along the c-axis. A number of causes have been attributed to the generation of micropipes in SiC. These include inclusions of excess materials such as silicon or carbon inclusions, extrinsic impurities such as metal deposits, boundary defects, and the movement or slippage of partial dislocations. ”
a hollow core 中空の芯
screw dislocation らせん転位
silicon or carbon inclusions ケイ素か炭素のインクルージョン（結晶中に取り込まれた異物質）
extrinsic impurities 外部からの不純物
“Embodiments of the invention will now be described in relation to the accompanying drawings. However, the invention is not limited to only the embodiments described herein. Rather, the selected embodiments are presented as teaching examples.”
embodiments 実施形態
invention 発明
accompanying drawings 附属図