パワー半導体の次世代素材の開発・実装が加速している。大電流・高電圧化や省エネ化などのニーズを商機に、化学メーカーはウエハー素材や関連技術の開発に力を入れる。パワー半導体はモノの進化と脱炭素社会をつなぐキーデバイスとされており、材料からデバイスまで日本企業が世界でしのぎを削ってきた領域だ。次世代品でも存在感を示せるか、関連技術に熱視線が注がれている。（大川諒介）

レゾナック、SiCエピウエハー量産

パワー半導体は電源から送られた電気を制御する役割を担い、電圧・周波数の変更や電力変換を行う機能を持つ。幅広い電気製品に搭載されるが、電気自動車（ＥＶ）の普及で性能面がこれまで以上に注目されるようになった。パワー半導体の性能向上は電力損失の抑制につながり、急速充電の実現や航続距離延長などに貢献する。素材の持つ特徴から現在主流のシリコン（Ｓｉ）より耐電圧特性などに優れる炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの次世代素材が着目された。

レゾナックは主要部材となるＳｉＣエピタキシャルウエハーのトップシェアを握る。原料のＳｉＣ基板から手がけており、近年は独インフィニオンテクノロジーズやローム、東芝デバイス＆ストレージ（東京都港区）と相次ぎ長期供給契約を締結。また複数の国内大手がＳｉＣパワー半導体の増産計画を公表するなど、中長期で旺盛な需要が期待される。

レゾナックは２０２３年４月の事業説明会でＳｉＣエピウエハー事業について「５年以内に２２年比で売上高５倍を目指す」（金沢博ＳｉＣ最高技術責任者〈ＣＴＯ〉）目標を示した。品質優位性の強みをさらに磨きつつ、増産体制の整備などに取り組む方針だ。

足元ではＥＶや再生可能エネルギー分野のデバイスを中心にＳｉＣパワー半導体の採用が進む。また新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）は、ＳｉＣウエハーの大型化につながる８インチウエハー技術の開発を目指す３件の研究計画に約１８６億円の支援を決定。レゾナックやセントラル硝子などが高品質な単結晶の量産技術確立に挑む。

信越化学とOKI、GaN新技術の開発に成功

ＥＶや再生エネなどの分野ではＳｉＣの普及が先行するが、他の次世代素材の技術開発も着実に進む。信越化学工業はＧａＮエピタキシャル成長用の複合材料基板「ＱＳＴ基板」を手がけ、量産体制を構築している。１９年に米クロミスからライセンスを取得し独自に改良。ＧａＮと熱膨張係数を一致させた窒化アルミニウムをコア層に用いる基板材料で、基板上にＧａＮの厚膜形成を可能とする。

Ｓｉ基板上にＧａＮを結晶成長させる「ＧａＮオンＳｉ」で生じやすい反りやクラック（ひび割れ）を抑え、物性を発揮できるが高コストな「ＧａＮオンＧａＮ」といった既存技術の課題克服が見込める。さらにＯＫＩが持つ結晶膜の剥離・接合技術と組み合わせ、ＧａＮ機能層のみを剥離し異種材料基板へ接合する新技術の開発に成功。高電圧・大電流に適したＧａＮの縦型導電が可能で、放熱性の高い導電性基板に接合することもできるようになる。４―５年後の新技術を用いた製品化や基板材料の収益貢献などを想定する。

ＧａＮはＳｉＣと比べて２・５倍の耐圧性、電力損失１０分の１への低減が見込めるなど物性面で優れる。新技術はＧａＮの普及における課題克服や、より高性能なパワーデバイスの実用化への貢献が期待される。信越化学の山田雅人理事は「縦型ＧａＮが今回の技術で実現すればＳｉＣに比べても安価にできると考えている。基板をリサイクルできればさらなるコストダウンも見込め、コストと物性の両面で置き換わる領域が増えるのでは」と期待感を示す。

周辺材料に商機拡大

調査会社の富士経済（東京都中央区）は、３５年のパワー半導体世界市場が２２年比約５・０倍の１３兆４３０２億円に達すると見込む。特にＥＶや再生エネなど高耐圧化が求められる分野では普及がさらに加速し、ＳｉＣやＧａＮなど次世代パワー半導体市場は同３１・１倍の５兆４４８５億円規模になると予想する。

基板材料だけでなく、デバイスの周辺材料にも商機が拡大している。ａｒｔｉｅｎｃｅ（旧東洋インキＳＣホールディングス）はＳｉＣなどのパワー半導体チップに用いることで無加圧焼結と高い放熱性を両立できる焼結型銀ナノ接合材を開発。住友ベークライトも次世代パワーデバイス向けに封止材やダイボンディング材など高放熱・高絶縁の材料開発を強化する方針だ。

「省エネ化やデータ通信量増加などパワー半導体は中長期で需要拡大が期待できる」（倉知圭介取締役専務執行役員）とし、最注力領域の一つに位置付ける。次世代品の市場成長や本格普及へ期待が高まる中、革新を支えるメーカーの素材技術が注目される。