Cover Story 第 2部 <GaN動向> GaNパワー素子が離睡次世代品は SiCの代替を視野 GaNパワー素子がパワコンやオーディォ機器などに採用された。さまざまな電源に適用できる耐圧600V品が量産されている。 GaN基板上に高耐圧のGaNパワー素子を作る研究開発も始まった。 SiCパワー素子に続き、CaNパワー素子も機器に採用され始めた。太 158万円 (税別)で発売ヤ望小売f li格 SE―Rl」定の高級オーディオアンプ「だろう。陽た発電システムのパワーコンディショナー (バワコン)やオーディオ機に、CaNトランジスタを採用する。同社が2014句■こ復活させたオーディ主に、耐圧600V以下を求めたり、数器である,例えば安川電機は、出力の製品で Technlcs」オ専用ブランド「 45kドの家庭用パワコンに採用し、ある。同トランジスタの採用などで、めたりする用途で採用される見込みだ。例えば、家庭用パワコンやオー 2015年にも発売するもよう (図1)。 Siパワー素子を搭載した、4 5kWの微小音から大音景までのリエアリティに優れた再生を実現できるという。同社従来製品に比べて体積が約60% これに対して、CaNパワー素子は、百 kHz以上の高速スイッチングを求ディオ機器、サーバーなどである。自動車用途では、パワーウインドウやパワーステアリングなどに用いるJヽ型ーーモタの駆動回路に適用される可に削減できることなどを訴求する。 SiCとは耐圧で模み分け GaNパワー素子は、SiCパワー素安川電機は、家庭用パワコンでは後子とは棲 (す)み分けるかたちで今能性がある。 GaNパワー素子のメーカーはSiC 発。それだけに、GaN素子を武器に、後、採用が進みそうだ。SiCは主に、パワー素子よりも安価に製造しやすシェア拡大を狙う。比政的大きなfE力を扱う耐圧600V い点を訴求し、棲み分けを図る。そ以上を求める用途で採用されていくの根拠は、SiCき阪よりも安価で、かと小さいこと、電力損失を半分程度パナソニックは、2015年 2月に希つ大回径のSi基板を利用して生産性 SE Rl」ナソニックのオーディオアンプ「 (b)パ (a)安川電機のパワElンを高めやすい点にある。いわゆる CaN on S」と呼ばれる製造技術だ。「現在のGaNパワー素子製品は、主レに回径 150mm(6インチ)の Si基版を使って製造されている。口径200mm , 図 l GaNがパワコンやオーディオ機器に GaNパワー素子が機器に搭載され始めた。例えば安川電機は、2015年に発売予定の家庭用の5kW級パワーコンディショナーに米Transphorm社のGaNパワー素子を採用する(a).バナソニックは同社のオーディオアンブ「 SE RHJに採用した (b)。 (写真子(b)はバナツニック) 40、 K 【E ELECTROヽ lCS 20 412■ (8インチ)や300mm(12インチ)の Si 基板を適用する研究開発も進んでいる。今後もSiCに先行する形で基板の大田径化が進みそうだ。の図 2 Transphorm社動きが活発化 G a N パワー素子を手掛ける (a)Transphorm社をめぐる主な動向 Goog e Ventures社などから、2000万米ドルの出資を受けたことを明らかに安川電機がTrahsphOrm社のGaNパワー宗子を利用したパワコンで３米国Ａヽ▲〓 T r a n s p h O r m 社の動きが活発化している ( 3 ) 。この契機になったのが、宮士通セミコンダクターとの協業である。T r a n s p h c r m 社が設計したデバイスを習士通七ミコンダクターが製造する。2 0 1 4 年第4 四半期に ■産を開始する。」E D E C の基準を満たす高い信頼性を実現した素子を安定して ■置できる点を特徴にする。 2 0 1 4 年 1 2 月に開催された日E D M 2 0 1 4 」では信頼性の高さを表付けるデータ群を発表した ( b 、 c ) 。( 図 ! トランスフォームジャ′ヾンの資料を基に本誌が作成) (b)耐圧の特性 D e l a 社が同社の電源製品にT r a h S p h o r m 社のG a N パワー素子を採用することを発表 GaNパワー素子で曹士通セミヨンダクター官士通セミコンダクターのパワーデバイス事業部と経営統合によリトランスフォームジャパンを設立 Tata Power So ar systems社が同社のパワコンにTrahsphorm社のCaNパワー素子を採用することを発表社業務提携す電源てO N S e m c o n d u c t o r とることを発表 500 10〕 9 1500 ドレインーソース間電圧 (V) ラプス (動的オン抵抗) 200 400 839 999 ドレインーソース間電圧 (V) 米大学発の企業が台風の目子の時代からCaNの電 rデバイス応こうした低コスト化に向くことに加安川電機はTransphorm社のGaN パワー素子に着卜￨し、2012年に同素えて、同素子を製品化したり、研究開子を採用したパワコンを発表。これ発を精力的に進めたりする企業が増えてきたことが、GaNパワー素子のが前述のパワコン製品の実現につな採用を後押ししている。提供企業の大きな注目を集めるようになった中でも、ここ最近活発に動いているのは、2013年 .同年11月に、これまでCaNパワー素子で競合していた富気に注目を集める存在になった。同村Jま、米UttverSty of CdrOr_ 士通セミコンダクターのパワーデバ務提彬などエコンステム (生態系)の nia Santa Barbara校(UCSB)の教イス事業部と事業統合することを発授や研究者が中心となって2007年に設立した。2011年に米Google Ven― 表した。設計をTransphOrm社が担当し、製造を富士通セミコンダクター拡大にも力を入れる.例えば、台湾の大手電源メーカーDclta ElectrOlllcs tures社などから2000万米ドルの出が担当することになった.具体的にの製品を採用することを2013年 11月資を受けたことが話題になった。は、同社の会津者松工場の6インチラに明らカイこした, インで、2014年第4四半期にも最産また、インドTataグループのパワコンメーカーであるTata POwer Solar のが米 Tra■sphorm社だ (図2)。 2012年には、業界に先駆けて耐圧 600V品を製品化。素子単体では、ゲートに電圧をrp加しなくても導通すノーマリーオン動作」だが、低耐る「圧のSi MOSFETと組み合わせることで、電力変換器で要求される「ノーマリーオフ動作Jを実IPLできる。がった。を開始する。用に関して研究開発してきたベテランが多いJ(あるCaN系半導体研究者). 信士通セミコンダクターの製造技niと技術者を手に入れたことで、Trans_ 一 phorm社はCaNパワー素子業界で Transphorm社は、顧客開拓や業社は、同社の電源にTransphOrm社この事業統合によって、日本にトランスフォーム・ジャバンが2014年 2月 Systems在はま、Transphorm社の製品に設立され、高士通セミコンダクターのGaNパワー素子の技術者が同社に 2015年に最初の製品を出すという。移締した。彼らは、「 GaNの rt周波素 tor社と業務提携することが明らかにを採用することを2014年 8月に表明。 2014イ F9月には、米 ON SemicOnduc― NKK口 EL欧 lЮ N(S卸いに1241 表 l GaNパワー素子を手掛ける企業の例 A v o g y t t E P C 社、日社、バナソニック、パウデックシャープ TransphOrm社など(東芝や Samsung社 ,準備中) なった。同社と電源の参照ボードを開発し、提供を姉めた。と。CaNパワー素子を業界に先日てけ ‐ て製品化したのは同社だ。耐圧数十 V品を2010年に発売した。もう1つは、ドイツInfineOn Tech_ ■ologles社に買収されたこと。同社と製品ポートフォリオが重なる部分レクトロニクス業界の世界最大級の electronlca 2014」に、それ展示会「ぞれGaNパワー素子を1町展した。 GaNパワー素子製古￨を発売していないものの、束芝に注 Hする業界関係者は多い。CaN on Siの製造拠点に多額の費用を投じるからだ。 Transphorm社が訴求するのは、高が少なく、InhncOn綱」よこれまでGaN パワー素子の製品を販売していないい信頼性だという。2013年3月には、ので、買収後でもIR社の GaNパワー植層した青色 LEDチップと、蛍光体耐圧600V品がJEDECの信頼性基素子事業は残る見込みだ。それだけを組み合わせた白色 LEDを手掛け JEDEC品質をクリ準を満たした。「に買収後、Inineo■ lliが注力するSiC パワー素子とどう1宏み分けるのか、ている。この向色 LEDの生産を、 InhneOn社が強いⅢ故分野にGaNパワー素子を積極的に展開していくの放億個に引き上げるもよう。この増アしたのは我々だけだろうJ(トランスフォーム・ジャバン)と胸を張る。 2014年 12月に開催された「 IEDM 2014」では、信頼性の高さを実付ける各種データを発表した。例えば、耐圧は1500Vに達する。ただし、 GaNパワー素子はアバランシェ耐量同社は、Si基板にGaN系半導体を 2016年度までに現在の約10倍の月産か、など、今後の事業戦略に注目が集産に向けて、「数百億円の前半 (300 億 ∼ 500億円)」(東芝)を控じ、石川まっている。県にある子会社の加賀束芝エレクトロエクスの生産設備を拡張する。これは、GaNパワー素子量産に向マージンを持たが小さいことから、「準備を進める東芝と Samsung Fl内メーカーでGaNパワー素子理せて600V品として販売しているJ(同品を出荷しているのが、シャープやけた布石でもある。LED向けのGaN On Siの製造設備や製造技術の一部上)と,ヽう。十パナソニックだ。両社はいずれも、は「流用可能J(束芝)だからだ。もと動作中にオン抵抗が L昇する電流 2013年に耐圧600V品のサンプル出コラプスの問題を解決したことを裏付けるデータも発表した。「我々にと荷を開始した。このうち、最近盛んにアピールしているのがパナソニッもと、加賀束芝エレクトロエクスは SiのパワーMOSFETや IGBTの生って電流コラプスの問題は過去のこクだ。同社のGaNパワー素子は、索子単体でノーマリーオフ動作を実現ノウハウがある。できる点を特徴にする。2014年は、に踏み切った場合、その強みになる同素子を利用した電源回路や、マトリックスコンバーターに適用した研のは8インチ基板を利用できること究成果などを発表した。ており、パワー素子についても、FllF とだが、今でも質問されるのであえてデータを発表したJ(トランスフォームジャパン)という。田収後の [R社に注目この他、海外メーカーの中では、米大きな展示会でのアピールにもカ I n t e r n a t i o n a l R e c t i f i e rが (注 I R ) 社を入れる。例えば、2014年 5月にパワーエレクトロエクス分野の世界最目を集めている (表1)。理由は2つある。1つは、長らくGaNパワー素子を〕 “ 研究開発してきた老舗であるこ 42 NIK(,ELEC「 RON(S20いユ" PCIM EurOpe 大級のイベント「に、同年1 1 月に開催されたエ 2014」産拠点であり、パワー素子に関する東芝力対守米 GaNパワー素子の量産だ。LEDでは8インチ基板で量産し究レベルでは作れることを実証済み」 (束芝)だという。12インチ基板の適用を視野に入れる。韓区l Samsung ElectrolllcS社も東芝のように、LEDを足掛かりにして｀ワーエレクトロニクスJにおけるGaN on GaNの (a)StP「次世代′ テーマの概要 GaN on Siのパワー素子の製品化を狙っている1社とみてよい。同社は 1998年にパワーIC部門を米Fair― GaN離型パワーアモノサーマル法や、改良したHVPE法でにい転位密度を目指す G a N 縦型M O S F E T の究所、宮士電機、開発アヽナソニック、豊デバイス技術開発僚都大学た教授の須日瀬 ) chnd semiconductOr社に売却したが、数年前に再びパワー半導体の部精密測定や、移動度の方位温度ドービング濃度依存性測定、 M O S 界面形成技術、イオン注入、エビ再成長技術の開発門を立ち上げたとされる。 GaN on GaNの研究が始まるー GaNパワ素子の実用化が始まる中で、次世代の CaNパワー素子の研究開発が始まった。その中心は、 (b)名古屋大学の天野氏図 3 GaN on GaNの研究が本格化 GaN on CaN」技術でパワー素子を作る技術の研究が本格化し始めた。例えば日本では内閣席の戦略的「イノペーション創造ブログラム (StP)「次世代パワーエレクトロニクス」において GaN on GaNの研究テーマが盛り込まれた(a)。名古屋大学教授の天野浩氏もおカロしており、2014年 ■ 月に開かれたNEDO のイベントでSlPでGaN on GaNを研究する意携を説明した (b)。 G a N 基板上にG a N 系半導体を積層 CaN o■GaN」技術を適用したする「ーパワ素子の開発である。例えば、このため、あるGaN系半導体の研究 CaN on GaNのパワー素子を者は、「現在のGaN基板は主にHVPE法内閣府の「戦略的イノベーション倉J造製品化できれば、SiCパヮー素子をいう気相法で製造されている。液相プログラム (SIP)」の1つとして2014 年度に始動した「次世代パワーエレク置き換えることも可能Jと意気込む。法は理論的に、気相法に比べて結晶ただし、現】犬では、GaN基板上ヘのGaNパワー素子を作製する技術がシレク結晶) 欠陥が少なく、大型結晶 (ノ未成熟、CaN基板が小さい上に価格出してGaN基板を作れば、劇的な低術開発Jがある(図3)潤七京都大学大学院准教授の須田淳氏がテーマリーが高いという課題がある。コスト化を見込める。ダーを務め、2014年ノーベル物理学グ濃度の制御。耐圧 10kV以上を実賞を受賞した名古屋大学大学院教授現するには、「青色 LEDよりもずっと 5cm 3台に下げる必要がある」低い1げトロニクス」では、テーマの1つに CaN縦型パワーデバイスの基盤技「の天野浩氏も参加している。作製技術の課題の1つが、ドーピンで解決しようとする動きが活発だ。とを作りやすい。この大型結晶を切り液相法には幾つかの手法があるが、 Naフラックス法Jや「アモノ現在、「サーマル法JによるCaN結晶作製の研究開発が盛んだ。例えば、Naフラ GaN基板を適用するのは、GaNが (天野氏)という。この他、結晶成長持つ材料ポテンシャルを引き出すた時に酸素が不純物として高濃度に混ックス法で作製したものを日本ガイシが、アモノサーマル法で作製しためだ。 C a N O n S i 技術は、「( G a N の入してしまうこと、結晶欠陥などに起ものを三菱化学が市場に出している。物性から)予測される性能の1/3∼ 因する深い準位が形成されてしまう 1/2しか引き出せていない」と天野氏ことなどに課題があるとする。SIP 進展著しいのが、三菱化中でも、「ー学のグルプ」(UCSB教授の中村修は指摘する。では、こうした課題の解決に取り組 GaN基板を利用することで、耐圧む。を高めやすくなる。「横型は10kV程度までだが、縦型であれば100kV級を狙える」(天野氏)。加えて、オン抵抗が小さく電流密度を高めやすい。二氏)だ。同社は、東北大学や日本製鋼所と共に、アモノサーマル法の改善に取り組んでいる(図41。三菱化液相法で大型 GaN結品を作る日径が小さく価格が高いという CaNEIFxの課題に対しては、液相法注 1 ) S i 基板品は、電流が横方向に流れる横型素子だが、G a N 基板品は縦方向に流れる縦型素子になることから、このようなテーマ名になっている。 NKKD ELECTRON CS 20路陀 2243 (alアモノサーマル法に使う装置 (オートクレープ) (b)作製したGaN結晶の無転位部分 [0001,面ヽ15X ヽ村5Hm2 法と言える。アモノサーマル法には、鉱化剤に酸性の材料を使う方法と、アルカリ性の材料を使う方法がある。CaN結品の純度を高めやすい、より低い気圧でも製造しやすいことから、三菱化学などの研究グループは前者を選「1,低温部 T2高温部択した。低い気圧ほど、安全に作りやすい、装置の壁面を薄くして一度図 4 液相法で大型 GaN結晶を作る高品質でかつ大型のCaN結晶を液相法で作る研究開発が盛んだ。視えば、東北大学と三菱化一学などの研究グルーブは、アモノサーマル法を採用する(a)。作製したGaN結畠は、部であれば、転位と呼ばれる欠陥がなかった (b)。成長速度の高速化に桃んでおり、378はm′口を達成した (6)。(図 1東北大学などの研究グループの資料を基に本語が作成) に多くのGaN結晶を成長させて生産性を高めやすいといった利点もある。アモノサーマル法はこれまで、気相法のHVPE法に比べて成長速度学や東北大学が製造技術を研究し、日本製鋼所が「オートクレーブ」と呼る。この中で、金属GaあるいはGaN 結晶をオートクレーブ (リアクター) ばれる装置を作製している。アモノサーマル法は、鉱化剤を添内で融解させる。その後、温度を変題があった。三菱化学などの研究グループはこれを大幅に改善した。例え、融解させたCaN結晶を析出させえば、成長速度は、1日あたり約lmm、加したNH3を、数百℃かつ数百気圧る。水品の製造法である「水熱合成 1時間あたり約45,mを達成した。道以上の高温高圧下で超臨界状態にす法」で利用する水をNHJこ変えた製した鉱化剤を用いたことが、成長速 (a)ミストCVDの装置の構成が遅い、結晶品質が低いといった課 (b)o型酸化ガリウムのダイオードショットキー電極オーミック電極ォ a聖酎ヒガリウムtn l 電 (c)o型酸化ガリウムのトランジスタソース電極図 5「ミストCVD」で酸化ガリウムのパワー素子を安価に作る京都のベンチャー企業FLOSF Aは、「ミストCVD」と呼本結晶成長法で酸化ガリウムのパワー素子を安価に作ることに取り組んでいる。サファイア基板上に、c型の酸化ガリウムを成長させてパワー素子を作る。既にダイオードとトランジスタを試作した(慎c)。(図:FLOSF,Aの資料を基に本誌が作成) 44Nは回 ELFCTRONICS 20い姥 22 ゲート ■極サファイア類 lc向ドレイン■権ーミック権特集 ■l GaN LED/LD用基板の新候補に「 SCAM」が名乗り ‐ 円色 LEDや青紫色半導体レーザー用の基板に、スカンジウムアリレミニウム・マグネシウムオキサイド(ScAlMgo4、通称 :SCAM(スキャム))が名乗りを上げた。GaNとの格子不整合が 18%と小さく、転位のような結晶欠陥を抑制しやすいのが特徴である。この結果、サファイア基板を用いる場合によしべて青色 LEDの電流密度を高めやすくなる。 GaN結晶を、電子デバイスを形成するための「 GaN自立基板」として提供することも視野に入れている。主に、GaNパワー素子の製造での利用を想定している。 (a)SCAM結晶 (b)SCAM基板晶は、単結晶ではなく多結晶で、しかも刀ヽ指以前のSCAM結大と打ヽさかったが、状況が好転してきた。福田結晶技術研究所は、高品質な、日経 2インチの SCAM単結晶の開発に成功した (図A-1)。「回転引上げ法 (CZ法 )」を用いた。 SCAMはへき開加工でインゴッドからウエハーを作れるので低コスト化を見込めるという。試作したSCAM結晶をへき開加工し、そのc面をX線回折で評価したところ、その半値幅は 129秒とSiの完全結晶と同水準になったとする。今後は、2インチのSCAM基板を2015年春に販売する予定だ。4∼ 6インチの基板の開発も進める。 SCAM結晶上に、低転位な厚いGaN結晶を形成し、その図 Al SCAM結晶が名乗り S C A M と呼ばれる結晶をG a N 系半導体を成長させるための基板として利用する動きが出てきた。福田結晶技術研究所が口径2 インチの S C A M 結晶を試作した。現在はL E D 向けだが将来はパワー素子での適用を視野に入れる。( 写真 ! 福田結晶技術研究所) 度の向上につながったという1,それ一半導体材料の打チ F 究開発も進んでいでもHVPE法の1/2柱lkの速度だが、る. その中で最近 L H I 光を洛びている a 型でハワー業 r を作る研究を行っているのが、ぢf m l のベンチャー企製造装置内で1司時に後数の CaN結品のが隆化ガリウム ( G a 2 0 1 ) である. 業 F L O S F I A ( フロスフィア) だ ( 図を作ることで、HVPE法バンドギャップがSiCや GaNよりも下のパワー広く、よりllt】 t火な高而iナ 5)。原料を材状にして ,等膜を形成す約lmm/日で成長させたGaN結品 X線ロッキングカーブJで評価を、「素子を実jjLできる可能1■があるからで、サファイア米lJx的こα型酸化ガリだ。駿化ガリウムには、例えば結晶ウムを形成するⅢミストCVD法は、したところ、その半l llIは 20arcsec 真空プロセスが不要で、装置が安価ほどと狭く、品質が高かったとする。構造が共なるα4!やβ lJがある。 β型でハワー紫 rを作る研究開発脱酸剤を用いて不純物となる腋求をを行っているのが、情報通信研究様るという. 入りにくくするなどして、高い純度の構 (NICT)とタムラ製作所などのグループだ。前述のSIPの次世代パワーエレクトロニクスのテーマの1つにを大幅に上回る生産性を実現できるとみている() 結晶を実現したとする中こうした研究成果を■かして、アモノサーマル法による6インチGaN 基板の実用化を日指すという。コストは、1インチ1ブ 6インチで6万円】11、なっている。MESFETや MOSFET などを試作済みで、駿化ガリウム基る「ミストCVD(化学気相成長)法J なことから製造コストの肖1減が図れ回イエ4インチのサファイア基板上に a聖腔化ガリウム暉や、絶縁膜 (α型の (AlCa)20!)を形成したところ、良好な結果を得られたとする。ダイオード(SBD)やトランジスタ (MES― FET)も試作済み.ダイオードは横を目標に掲げる. 板は既に市販している。同基板はタムラ製作所と、F」のグループ /1N業 1上酸化ガリウムで SiC/GaN超のた波が作製したもの―LED向けに 2インチ品をH反先中ハワー素子向けう=2015年にも、a'lJ酸化ガリウムのパワー紫子のサンプル出荷を始めには6インチ￨￨を開発中だというする予定である. え SiCや GaNの他に、次 ‖1代のハワ型ながら而￨I11500Vを達成したとい NヽК 卜 i口に (TR()N(ヽ 2● ■12245