革命前夜を迎えたパワー半導体、主役は日本の特産品GaN前編

現状のパワーデバイスは、かなり無理をして電力制御している

── 近年、PCの電源のACアダプタやスマートフォンの充電器を超小型化する技術として、GaNという技術の名前を目にする機会が増えてきました。

森 ── そうですね。ただし、GaNは、まだまだPCマニアなど一部の人たちだけに知られる存在であり、一般的な消費者が広く知るものにはなっていません。以前、私が家電量販店に照明を買いに行った時のことです。気さくなおばちゃん店員が、「これからはLEDの時代よ」と言ってLED電球を盛んに勧めてきました。LEDなんていう技術用語が一般に浸透する状況になったのだと、本当に感動しました。

GaNは家電製品の省電力化や小型化などに、大きく貢献できる技術です。GaNという言葉が、LEDと同様に、消費者に魅力を伝える言葉として認知されるようになれば、私たちの技術開発の取り組みは大成功したと言えるのだと思っています。GaNは、それだけのインパクトを世の中にもたらす可能性を秘めた材料だと確信していますし、そのような状態まで育てることに責任も感じています。

── 初歩的なことから教えてください。そもそもGaNとは、どのような特徴を備えた、何に役立つ材料なのでしょうか。

森 ── まずは、電気・電子機器の制御に欠かせない半導体材料の役割をお話してから、数ある材料の中でのGaNの優位性を説明したいと思います。

半導体とは、電気を通す導体と通さない絶縁体の両方の性質を兼ね備えた材料です。この性質を活用して、電気信号や電力を通したり、通さなかったりして、回路の動作を制御するスイッチ（トランジスタ）を作っています。ちょうど、川に水門を作って、流れを堰き止めたり、流したりするイメージです。その際、水門の高さが高いほど、高電圧の電気信号や電力を制御対象にできます。そして、この水門の高さは、トランジスタを作る半導体材料ごとの物性値として決まっています。特に重要なのは、説明は省きますが、水門が高いと電気抵抗が小さくなり、ジュール熱損失を小さくできるので省エネに繋がります。

現在、デジタル信号を扱う半導体デバイス（トランジスタ）や電源回路で電力を制御するパワーデバイスなどの多くは、シリコン（Si）で作られています。Siは、デバイスを作る際の起点となる基板を、高品質、安価で作れ、しかも加工しやすい性質を持っているため、デバイスの製造が容易なのです。しかし、Siで作ることができる水門の高さは高くはないので電気抵抗が高くなるうえに、高電圧の電力を扱うのには必ずしも向いているとは言えない材料です。トランジスタの構造を工夫することで、高電圧が求められる用途に対応しているのが現状であり、無理をしている分、スイッチングの速度（水門の開閉の速さ）や水門そのものでのジュール熱によるエネルギー損失を犠牲にしています。

巨大な潜在能力と応用可能性を秘めた、大器晩成の半導体GaN

── なるほど。Siデバイスは、そもそも省エネには向かないうえに、用途によっては随分苦労して使っているのですね。

森 ── これに対し、GaNは、Siよりも約3倍^*1高い水門を作ることができる物性を備えています。つまり、電気抵抗を一桁低くでき、高電圧の応用に向けたパワーデバイスを、より高性能化し、応用機器の高性能化や小型化^*2を劇的に推し進めることができるポテンシャルを持っているのです。GaNのこうした優れた特性は、GaN結晶中のGa原子とN原子の間をつなぐ化学結合が強く、高い電圧が印加されても壊れにくいことに起因しています。

── GaNはパワー半導体以外にも、使えるのですか。

森 ── GaNには、極めて多くの応用があります（図1）。まず有名なところでは、日本で発明されてノーベル物理学賞の受賞対象となった青色LEDが挙がります。青色LEDは、赤崎勇先生と天野浩先生がGaNの単結晶を作成したことで、実現に至りました。青色LEDは、LED照明として、広く普及しています。また、同じく光デバイスでプロジェクターやレーザー加工機などの光源として使われるレーザーデバイスも作成可能です。さらに、高周波の電波を増幅する高周波デバイスを作る材料としても、GaNが既に使われています。気象用や船舶用、防衛用のレーダー、さらには5Gや6Gなど移動通信システムの基地局で、高い周波数でかつ高出力の電波を発信するために欠かせないデバイスです。

パワー半導体の領域では、ACアダプタなど中耐圧の応用は既に開拓できていますが、電気自動車（EV）のモーター駆動や電力システムなど、より高い耐圧が求められる応用に向けたGaNデバイスの開発は、まだ本格化していません。これら高耐圧の用途では、シリコンカーバイド（SiC）と呼ぶ別の新しい半導体材料の応用が進められ、一部で既に量産応用機器に適用されています。しかし、パワーデバイス用の材料としての適性はSiCよりもGaNの方が高く^*3、高い応用価値を秘めています。また、SiCは高耐圧用パワー半導体だけが応用のターゲットとなりますが、GaNは極めて多くの応用があるため、需要を高めやすく、量産効果による低コスト化が期待できます。このため、量産に適した技術が確立されれば、一気にSiCからGaNに置き換わるのではと考えています。

ダイヤモンドをゴッソリ作ろうとしたが、別の鉱脈を探り当ててしまった

── 森先生は、どのようなきっかけでGaNの研究を始めたのでしょうか。

森 ── 実は、元々GaNに興味があったわけではありませんでした。博士課程の学生だった頃の研究テーマは、半導体としての大きな潜在能力を秘めていると言われていたダイヤモンドを研究していました。ダイヤモンドは、Si比で約5倍の高さの水門を作れる可能性がありました。

その後、レーザーの研究室に教職を得ました。そして、研究室の先生から「森君、君の好きな研究も1つやってみたらいいよ」とアドバイスをいただきました。私は、かねがね、従来ガスを原料として作っていたダイヤモンドを、液体から作りたいと考えていました。液体から作れば、高品質で、大きな結晶ができることが明白だったからです。半導体材料や小さな工業用ダイヤなどではなく、宝石をごっそりと作りたかったのです。

── それはそれで、魅力的な研究ですね。

森 ── 自然環境に存在するダイヤモンドは、地中の奥深くの5万気圧、数千℃の環境で炭素を押し縮めて出来上がります。極限環境でのみ出来上がるものと同品質で大きなものを地上で作るのですから、かなり無茶な目標です。それを1996年のアメリカの学会で、後にノーベル賞を受賞することになる名古屋大学の天野浩先生にこっそり話したのです。すると、先生から「液相での結晶成長に興味があるのならば、面白い研究がありますよ」と、ある研究を紹介していただきました。その当時コーネル大学に留学されていた山根久典先生（現在、東北大学教授）による、Naを媒介してGaNを比較的簡単な装置で液体から作るという研究成果でした。「Naフラックス法」と呼ばれる技術です。

それまでGaN結晶を液相から作ろうとすると、1万気圧、1500℃といった環境下での結晶成長が必要でした。これが、Naフラックス法を使えば、40気圧、800℃で成長可能になるというのです。実は、ダイヤモンドでも、Naと同じ周期表上の1族に属する水素を原料ガスに添加すると、普通ではあり得ないような条件でダイヤモンドが出来上がるという研究報告があり、Naを使えば、もしかすると液体から、ダイヤモンドを作れるのではと思いました。そこで、Naフラックス法によるGaN結晶の成長と、ダイヤモンドの結晶成長を両にらみしながら研究することにしました。これがGaNの研究を始めたキッカケです。ところが、研究の着手から25年経過した現在、ダイヤモンド作りに関しては頭から消し飛んで、いつの間にかGaN一本になってしまいました。

後編に続く

Profile

森 勇介（もり ゆうすけ）

大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報通信工学専攻 教授

平成元年に大阪大学工学部を卒業し、平成3年に大阪大学大学院工学研究科を修了、その後、大阪大学の助手、講師、助教授を経て、平成19年に教授に就任。結晶に関連する研究成果の事業化のために、平成17年に創晶、平成28年に創晶超光、令和2年にteamGaNを起業。平成25年に起業した創晶應心はカウンセリングを手掛ける大学発の異色ベンチャーで心理学的アプローチによる創造力の活性化を提唱。弘法大師の教えに基づいた自己啓発法・人材育成法を開発している。

Writer

伊藤 元昭（いとう もとあき）

株式会社エンライト 代表

富士通の技術者として3年間の半導体開発、日経マイクロデバイスや日経エレクトロニクス、日経BP半導体リサーチなどの記者・デスク・編集長として12年間のジャーナリスト活動、日経BP社と三菱商事の合弁シンクタンクであるテクノアソシエーツのコンサルタントとして6年間のメーカー事業支援活動、日経BP社 技術情報グループの広告部門の広告プロデューサとして4年間のマーケティング支援活動を経験。

2014年に独立して株式会社エンライトを設立した。同社では、技術の価値を、狙った相手に、的確に伝えるための方法を考え、実践する技術マーケティングに特化した支援サービスを、技術系企業を中心に提供している。

URL: http://www.enlight-inc.co.jp/