🧪 1. Si・SiC・GaN・ダイヤモンド｜なぜ材料を変える必要があるのか？

1. Why Change from Si to SiC, GaN, and Diamond?

🔍 出発点：シリコンの優位性と限界

Starting Point: Advantages and Limitations of Silicon

特性 / Property	シリコン（Si）の利点 / Advantages of Si	限界（用途による） / Limitations
製造性 / Manufacturability	高結晶性・加工容易 / High crystallinity, easy to process	300mmウェハが主流 / 300mm wafer dominant
コスト / Cost	安価・既存インフラ多数 / Low cost, abundant infrastructure	高耐圧領域で劣化 / Degrades at high voltages
電子特性 / Electrical Properties	MOS動作に適した移動度 / Mobility suited for MOS	熱伝導性やや低い / Relatively low thermal conductivity
応用範囲 / Application Range	CMOSロジックに最適 / Ideal for CMOS logic	高電圧・高周波に非効率 / Inefficient for high-voltage & high-frequency

➡ これらの用途には「ワイドバンドギャップ材料（WBG）」が必要
➡ Such applications require Wide Bandgap (WBG) materials

⚡ WBG材料とは？

What are Wide Bandgap Materials?

材料 / Material	バンドギャップ (eV) / Bandgap (eV)	特徴 / Features	主な用途 / Main Applications
Si	1.1	CMOSの基本材料 / Base material for CMOS	LSI, MEMS
SiC	3.3	高耐圧・高温耐性 / High voltage & high temperature resistance	EV, Power IC, Railways
GaN	3.4	高周波性能・高速スイッチング / High frequency, fast switching	5G, Power supply, Satellite comms
Diamond	5.5	最高熱伝導率・絶縁耐圧 / Highest thermal conductivity, high breakdown	Space, Nuclear fusion, Radiation-hardened devices

💡 バンドギャップが広いほど高電圧・高温に強く、オン抵抗を下げられる可能性が高い
💡 Wider bandgap → better high-voltage/high-temperature tolerance, lower on-resistance

🧩 Siでは到達できない応用例

Applications Beyond Silicon’s Capability

応用例 / Application	材料の選定理由 / Reason for Material Choice
EVインバータ / EV Inverter	高耐圧＆低損失 → SiC / High voltage & low loss → SiC
5G通信 / 5G Communication	高速スイッチング＆小型化 → GaN HEMT / High-speed switching & compact size → GaN HEMT
宇宙用途 / Space Applications	放射線耐性＆熱放出性 → ダイヤモンドFET / Radiation resistance & heat dissipation → Diamond FET

🔁 CMOSとの違いと接続

Differences from and Connections to CMOS

GaN・SiCも MOS構造やHEMT構造 に応用可能
GaN and SiC can also be used in MOS and HEMT structures
CMOSロジックとは 電気特性・製造プロセス・基板温度制約 が異なる
They differ from CMOS logic in electrical properties, manufacturing processes, and substrate temperature limits

📝 本節のまとめ / Summary

Si以外の材料が必要な理由は「限界特性の突破」
Need for non-Si materials arises from overcoming physical limits
SiC・GaN・ダイヤモンドは高耐圧・高温・高周波・高放射線環境に適応
SiC, GaN, and Diamond are suited for high-voltage, high-temp, high-frequency, radiation environments
用途と材料はトレードオフで選定し、「物性」→「応用」への流れが重要
Application and material choice are trade-offs, making the flow from physical properties → application crucial

📎 次節 / Next: 2. 材料の物性比較｜Material Properties Comparison では、
各材料の 移動度・バンドギャップ・耐圧・オン抵抗 を定量的に比較します。
In the next section, we will quantitatively compare mobility, bandgap, breakdown voltage, and on-resistance of each material.