大陽日酸など、世界で初めてHVPE法で6インチウエハ上への酸化ガリウム成膜に成功

パワーデバイスの低コスト化と次世代EVの省エネ化に貢献

　大陽日酸は、国立大学法人東京農工大学、株式会社ノベルクリスタルテクノロジーと共同で、HVPE 法による6 インチウエハ上の酸化ガリウム成膜に世界で初めて成功した。

開発の背景

　酸化ガリウム（β-Ga2O3）^※1 は、炭化ケイ素（SiC）^※2 や窒化ガリウム（GaN）^※3 と比べてさらに大きなバンドギャップ^※4を持つため、β-Ga2O3 によるトランジスタやダイオードは高耐圧や高出力、高効率（低損失）といった優れたパワーデバイス^※5特性を備えるものとして期待されている。

　β-Ga2O3 パワーデバイスの開発は日本が世界をリードしており、2021 年にはノベルクリスタルテクノロジーがハライド気相成長（HVPE）法^※6を用いた小口径4 インチβ-Ga2O3 エピウエハ^※7 の開発に成功し、製造・販売を行っている^※8。このエピ成膜のベースとなるβ-Ga2O3 ウエハはSiC やGaN と異なり、バルク結晶の育成が速い融液成長で製造可能なことから、大口径・低価格なβ-Ga2O3 ウエハを得やすくパワーデバイスの低価格化に有利となる。

　しかし、β-Ga2O3 の成膜に採用されているHVPE 法は安い原料コストや高純度成膜が可能である反面、HVPE 法による成膜装置は小口径（2 インチまたは4 インチ）かつ枚葉式のものしか実用化されていないという課題がある。このため、成膜コストを低減するためにはHVPE 法による大口径（6 インチまたは8 インチ）でバッチ式の量産装置の実現が不可欠とされてきた。

　こうした背景の下、大陽日酸は NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の「戦略的省エネルギー技術革新プログラム^※9／次世代パワーデバイス向け酸化ガリウム用の大口径量産型エピ成膜装置の研究開発」プロジェクトにおいて、β-Ga2O3 を成膜するための大口径量産型エピ成膜装置（量産装置）の開発に取り組んできた。

　本プログラムのインキュベーション研究開発フェーズ（2019 年度）において HVPE 法の原料となる金属塩化物^※10 の外部供給技術^※11開発を行い、実用化開発フェーズ（2020 年度～2021 年度）において量産装置の基礎技術確立のため、6 インチ枚葉式 HVPE 装置を立上げ成膜を行い、その評価を実施。そして今回、世界で初めて 6 インチウエハ上へのβ-Ga2O3 の成膜に成功した。

　β-Ga2O3 パワーデバイスが広く普及すれば、産機用モータ制御のインバーターや住宅用太陽光発電システムのインバーター、次世代EV などの省エネルギー化が見込める。

今回の成果

　大陽日酸は 6 インチ枚葉式 HVPE 装置（図 2）を開発し、世界で初めて 6 インチテストウエハ（サファイア基板を使用）上へのβ-Ga2O3成膜に成功（図 1）した。また、成膜条件の最適化や独自の原料ノズル構造の採用により、6 インチテストウエハ上におけるβ-Ga2O3 成膜の実証、およびβ-Ga2O3 膜厚分布±10％以下を達成するなど面内で均一な成膜が可能であることも確認した（図 3）。

　本成果で確立した大口径基板への成膜技術やハードウエアの設計技術によりβ-Ga2O3 成膜装置のプラットフォームを構築できるため、大口径バッチ式量産装置の開発を大きく進展させることが可能になる。これにより、β-Ga2O3 成膜プロセスおよびデバイスの適用による消費電力削減によって、2030 年時点で 21 万 kL／年程度の省エネルギー効果量が見込まれる。

今後の予定

　大陽日酸は、NEDO 事業においてβ-Ga2O3成膜向け量産装置の開発を継続し、今後は 6 インチβ-Ga2O3ウエハを用いたエピ成膜を行い、β-Ga2O3薄膜の電気特性評価や膜中に存在する欠陥評価を通して、高品質なβ-Ga2O3エピ成膜技術の開発を実施する。また、β-Ga2O3エピウエハの量産技術を確立した後、2024 年度に量産装置の製品化を目指す。

　HVPE 法で製造したβ-Ga2O3エピウエハは主に SBD^※12や FET^※13に使われるため、2030 年度には約 590 億円規模の市場に成長する見込み（株式会社富士経済「2020 年版次世代パワーデバイス＆パワエレ関連機器市場の現状と将来展望」による）。今後は量産装置を実現し、β-Ga2O3成膜装置市場への参入と Ga2O3パワーデバイスの普及による次世代 EV などの省エネルギー化促進に貢献するとしている。

【注釈】

※1 酸化ガリウム（β-Ga2O3）：酸化ガリウムは、炭化ケイ素と窒化ガリウムに続く「第3のパワーデバイス用ワイドバンドギャップ半導体」として注目を集めている化合物半導体。パワーデバイスとしての理論的な性能がシリコンよりも圧倒的に高く、炭化ケイ素と窒化ガリウムをも超える優れた材料。

※2 炭化ケイ素（SiC）：SiCは炭素とケイ素の化合物であり、主に高耐圧・大電流用途で使用されるワイドバンドギャップ半導体材料。

※3 窒化ガリウム（GaN）：GaNはガリウムと窒素の化合物であり、SiCよりもさらに安定した結合構造を持ち、より絶縁破壊強度が高いワイドバンドギャップ半導体。主にスイッチング電源などの小型・高周波用途で使用される。

※4 バンドギャップ：電子やホールが価電子帯から伝導帯に遷移するために必要なエネルギーのことです。この値が大きい半導体をワイドバンドギャップ半導体と位置付け、バンドギャップが大きいほど絶縁破壊強度が高くなる。β-Ga2O3のバンドギャップは約4.5eVであり、Si（1.1eV）、4H-SiC（3.3eV）およびGaN（3.4eV）よりも大きな値となっている。

※5 パワーデバイス：電力の変換に用いる半導体素子のことであり、インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられている。

※6 ハライド気相成長（HVPE）法：金属塩化物ガスを原料に用いる結晶成長方法のこと。高速成長や高純度成膜が可能であることが利点。

※7 β-Ga2O3エピウエハ：ウエハ上にβ-Ga2O3を成膜した薄膜形成ウエハのこと。ウエハとなる結晶の上に結晶成長を行い、下地のウエハの結晶面にそろえて原子配列する成長をエピタキシャル成長（エピ成長）と呼ぶ。

※8 4インチβ-Ga2O3エピウエハの開発に成功し、製造・販売。（参考）株式会社ノベルクリスタルテクノロジー 2021年6月16日付ニュースリリース

https://www.novelcrystal.co.jp/2021/2595/

※9 戦略的省エネルギー技術革新プログラム（概要）

https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100039.html

※10 金属塩化物：HVPE法の金属原料となる化合物であり、代表的な金属塩化物としてGaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、InCl、InCl3などがある。

※11 外部供給技術：HVPE法において、金属塩化物生成部と成膜部を独立分離させ、反応炉外部から配管などを用いて金属塩化物を供給する技術のこと。

※12 SBD：ショットキーバリアダイオード(SBD：Schottky Barrier Diode)。PN接合ではなく、ある種の金属とn型半導体の接合を用いたダイオードのこと。他のダイオードに比べ高効率でありスイッチング速度が速いことが利点。

※13 FET：電界効果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor）。ゲート電極に電圧を加えることでチャネル領域に生じる電界によって電子または正孔の密度を制御し、ソース・ドレイン電極間の電流を制御するトランジスタのこと。