「サクセスストーリー見えてきた」、豊田合成がGaN基板大量生産に道

日経クロステック／日経エレクトロニクス

2022.08.23

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　さまざまな産業で電化が進み、パワーエレクトロニクスへの期待が高まっている中、豊田合成は「GaN（窒化ガリウム）」に挑んでいる。狙うのは、電動化の加速をにらんだモビリティーやエネルギーソリューションへの貢献だ。GaNは、現行のSi（シリコン）、そして今まさに普及期を迎えているSiC（シリコンカーバイド）を上回るポテンシャルを持つ。条件が整えば、将来の車載パワー半導体の筆頭に名乗りを上げそうだ。

　同社がGaNの研究に取り組み始めたのは、1980年代にさかのぼる。実現困難とされてきた青色発光ダイオード（LED）の発光源として有力視し、後にノーベル物理学賞を受賞する名古屋大学（当時）の赤﨑勇氏や天野浩氏らと共同研究を重ねた。青色の発光を初めて確認した場所も、豊田合成の研究室だったという。照明用のLEDがコモディティー化する中、パワー半導体で再び GaNの最先端を目指す。

　同社はこのほど、単結晶の製造が困難とされるGaNで、6インチという大型基板を作製することに成功した。大阪大学大学院工学研究科教授の森勇介氏の研究室などと共同開発した。高品質で、安価なGaN基板を作製するエコシステムのきっかけになりそうだ。まだ基礎研究レベルの成果ではあるが、「今回の開発によって、GaNのサクセスストーリーが見えてきた」（同社取締役・執行役員カーボンニュートラル・環境推進部担当本部長、開発本部技術渉外担当の石川卓氏）と自信をみせる。同社では基板と並行してGaNデバイスの開発も進めており、将来的にはデバイスで市場を狙う。

　同社が開発している基板は既に実用化済みのGaNデバイスに向けたものではない。GaNパワーデバイスには、「横型（GaN on Si）」と「縦型（GaN on GaN）」の2種類があり、現在普及しているデバイスは横型だ。横型は素子表面のみに電流が流れる構造のため、電流の通り道が狭く、基本的に大きな電力を扱えない。一方、豊田合成が開発するのは縦型タイプ。こちらは素子全体に電流が流れるため、大電力を扱え、幅広い機器に汎用的に用いることができる（図1）。

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図1　豊田合成が狙うのはGaN on GaN

材料ごとのパワー半導体の大まかな性能分布。豊田合成が開発するのはGaN基板上にGaNデバイスをつくる縦型（GaN on GaN）である。大電力を扱いながら、高周波駆動が可能であるため、大電力かつ小型のインバーターを実現できる。現在実用化されているGaNデバイスは、Si基板上にGaNデバイスをつくる横型（GaN on Si）であるため、流せる電流や耐えられる電圧に限界がある（出所：日経クロステック）

　豊田合成をはじめ、縦型GaNに関連した基礎研究に取り組む企業は多い。多くの企業がGaNに着目する理由の1つは、GaNがSiやSiCよりもパワー半導体として優れた特性を持つからである。

　パワー半導体は、実用化が始まった当初はゲルマニウム（Ge）が用いられ、その後、高性能なSiに置き換わった。ところが近年、カーボンニュートラルに伴う電化によって、パワー半導体の用途が急激に増え、「電力損失を減らしたい」「システムを小型化したい」という需要が高まっている。こうした需要に、Siでは十分にこたえることができない。

　例えばEV用インバーターがそうだ。EVの航続距離を伸ばすには、車載電池にためた電力を最小限のロスでモーターに供給しなくてはならず、インバーターの電力損失を減らしたい。そこで、パワー半導体を高性能化が望まれている。

　ところが、パワー半導体の電力損失は材料の物性に依存しやすく、Siのままでは改善に限度があり、新材料が要る。そこで注目が集まっているのが、GaNとSiCである。

GaNは物性値でSiC超え

　GaNもSiCも、物性でSiを凌駕（りょうが）しているが、その2つのうち単に物性だけをみればGaNのほうがたけている（図2）。パワー半導体材料の重要指標である「耐圧（絶縁破壊電圧）」と「周波数（飽和電子速度）」のいずれもSiCを上回っているためだ。

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図2　GaNとSiCで既存パワー半導体の限界突破

SiとSiC、GaNの各種物性の比較と、スイッチング損失の模式図。高耐圧かつ高周波のGaNは損失を低減できる（出所：上は日経クロステック、下は豊田合成の資料を基に日経クロステックが作成）

　同じ材料ならば、より薄いほうが抵抗（オン抵抗）を低くすることができ、デバイスの電力損失を抑えられる。ただし、材料を薄くすると耐圧が低下してしまうので、GaNのような耐圧性にたけた材料が要る。

　電圧のオンオフに伴う「スイッチング損失」も大きな電力損失の要因だが、GaNはSiに比べて非常に小さい。高周波で動作させられれば、周辺のコイルやコンデンサーといった受動部品を小型化できるので、システム（例えばインバーター）を小さく、軽くできる。

　実用化の進捗（しんちょく）は、SiCとGaNで差がある。SiCは、米Teslaの「Model 3」などで一足先に車載インバーターで実用化され、まもなく本格普及を迎える。一方のGaNは、前述の通り横型しかないため、大電力を扱えないが、その高周波動作性を活用し、小型化が求められるACアダプターや、高速のレーザー駆動が求められるLiDARで徐々に使われ始めている段階。高出力であり本命の縦型は、まだ基礎研究をしているところだ。

　GaNがSiCの後塵（こうじん）を拝しているのは、基板の作製、すなわち高品質なGaN単結晶の製造が難しいことが一因である。「転位」と呼ばれる結晶内の欠陥の密度は10⁴～10⁷/cm²と、SiやSiCより100倍以上高い。転位があると、そこから電流が漏れ出してデバイス特性を悪化させてしまう。

　GaNは青色LEDの材料として有名だが、実はこちらはパワー半導体ほどの高品質な（転位が少ない）結晶は必要ない。デバイス内の電流密度が低いためである。InGaNを活性層材料として使うことで実用化できた。ちなみに横型GaNは、GaN基板を使わずSiやサファイアの基板上にGaNデバイスを構築しているため、実用化が早かった（図3）。一方で縦型GaNは、材料に均一に大電流を流すので、要求される基板の品質が高く、コストも高くなる。