新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「戦略的省エネルギー技術革新プログラム」において、ノベルクリスタルテクノロジーは大陽日酸および東京農工大学と共同で、次世代半導体材料として注目される酸化ガリウム(β-Ga2O3)をハライド気相成長(HVPE)法により6インチウェハ上への成膜に成功したことを3月1日に発表した。

  • 6インチテストウェハ上に成膜したβ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜

    6インチテストウェハ上に成膜したβ-Ga2O3薄膜(出典:ノベルクリスタルテクノロジー)

同社は、今回の成果について、大口径かつ複数枚のエピウェハを製造可能なβ-Ga2O3量産成膜装置の開発を進展させ、成膜コストが課題となっていたβ-Ga2O3エピウェハの大口径・低コスト化の実現を進展させるものだとしている。

β-Ga2O3は、SiCやGaNと比べても大きなバンドギャップを持つため、トランジスタやダイオードに使用した場合、高耐圧や高出力といった優れたパワーデバイス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リードしており、2021年には同社がHVPE法を用いた小口径4インチβ-Ga2O3エピウェハの開発に成功し、製造・販売を行ってきた。

このエピ成膜のベースとなるβ-Ga2O3ウェハは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ウェハを得やすくパワーデバイスの低価格化に有利となるとされてきたが、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、その成膜装置は小口径(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かったことから、成膜コストの低減に向け、HVPE法による大口径化(6インチまたは8インチ)かつバッチ式の量産装置の実現が求められていたという。

そこで同社はNEDOの「戦略的省エネルギー技術革新プログラム/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)の開発に大陽日酸および東京農工大学と共に取り組み、2019年度にHVPE法の原料となる金属塩化物の外部供給技術開発を行ったのち、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装置を立ち上げて成膜を行い、今回、6インチウェハ上へのβ-Ga2O3の成膜に成功したという。

  • ノベルクリスタルテクノロジー

    開発したβ-Ga2O3成膜向け6インチ枚葉式HVPE装置の外観写真(出典:ノベルクリスタルテクノロジー)

装置の開発や成膜への成功だけでなく、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インチテストウェハ上におけるβ-Ga2O3成膜の実証、および膜厚分布±10％以下の達成など面内で均一に成膜されていることも確認したという。

  • 6インチウェハ上におけるβ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>の膜厚分布

    6インチウェハ上におけるβ-Ga2O3の膜厚分布(出典:ノベルクリスタルテクノロジー)

今回確立された大口径基板への成膜技術やハードウェ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進展させることが可能となったとノベルでは説明しており、2030年時点で、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り21万kL/年程度の省エネルギー効果量が見込まれるという。

今後は、NEDO事業においてβ-Ga2O3成膜向け量産装置の開発を継続し、6インチβ-Ga2O3ウェ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進めていく予定で、β-Ga2O3エピウェ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とのことだ。