三菱ケミカルなどが大口径の窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶基板の量産化にめどを付けたことで、走行中に電気自動車（ＥＶ）を非接触充電する次世代ＥＶ技術が実現に近づいてきた。同基板はより大電流動作が可能な高耐圧パワー半導体を実現でき、電子機器などを効率化、小型化できるからだ。新素材がＥＶの新たな可能性を切り開く。（梶原洵子）

走行ＥＶを充電

現在パワー半導体はシリコンや炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上にＧａＮ結晶を成長させたエピタキシャルウエハーが主流。大口径ＧａＮ基板が量産化されると、ＧａＮ基板上にＧａＮ結晶を成長させ、より結晶欠陥の少ない基板を用いて高性能なパワー半導体を生産できるようになる。

このＧａＮオンＧａＮ基板は、次世代ＥＶ技術に対して大きなインパクトがある。三菱ケミカルのガリウムナイトライドセクションリーダーの藤戸健史氏は、「走行中のＥＶ非接触充電システムや、ホイールに駆動用モーターを格納したインホイールモーターに、ＧａＮオンＧａＮが必要になる」と指摘する。

同社は日本製鋼所と共同で北海道室蘭市に２、４、６インチの基板を生産できる量産実証設備を設置し、２０２２年度初頭から市場へ供給を始める。同設備で採用した「液相成長法」は、従来の気相成長に比べ欠陥密度を１００分の１から１０００分の１に抑えられる。同技術の実現には、製造条件の大きなブレークスルーが必要で、約１０年を要した。

単結晶を再析出

液相成長法は、高温高圧下で超臨界状態にした液体アンモニアにＧａＮ多結晶を溶かし、そこから単結晶を再析出させる。従来はＧａＮを溶かすため２０００気圧に高めていたが、大型装置はこの気圧に耐えられない。そこで三菱ケミカルはアンモニアに添加する鉱化剤を工夫し、「１０００気圧下で大量のＧａＮが溶けるようにした」（藤戸氏）。

低圧にしたとはいえ、１０００気圧に対応する大型装置の開発は難しく、水晶の結晶合成技術や大型装置技術を持つ日本製鋼所との協力で実現できた。

藤戸氏は、「研究を始めた当初は結晶を成長させるどころか、圧力装置を開けると結晶が消える状況が２年も続いた。大型装置までたどり着いたのは感慨深い」と振り返る。

デバイス進化

既存の気相成長によるＧａＮ基板は００年代に開発され、ブルーレイディスクの光ピックアップ技術の実現に寄与したが、大きさは２インチ止まりで用途も限定的。液相法による大口径化で次世代ＥＶ技術やモーター小型化、高出力・高輝度光源、情報通信分野のデバイス進化に貢献することが期待される。