パワー半導体技術が活発になっている。Texas Instrumentsは、テキサス州ダラス工場に加え、日本の会津工場でもGaNパワー半導体の工場を稼働させたことを発表した。ダラスのGaN第1工場だけでなく会津の第2工場がフル生産するようになると生産能力は4倍になるという。またInfineon Technologiesは厚さがわずか20µmのSi 300mmウェーハを使える生産を構築した。

TIは世界中の拠点でGaNパワー半導体を作る体制を築くことで、将来のパワー半導体供給不足にならないように対処する。2030年までにGaNの生産は95%以上増加するようにする。「TIは10年以上もGaN製造技術を磨いてきたことで200mmウェーハを品質認定することに成功し、スケーラブルに（工場や拠点を増やすという意味）コスト効率高く製造できるようになったため（図1）、日本の会津でもGaNを製造できるようになった」とTIの技術と製造部門のシニアVPであるMohammad Yunus氏は語っている。

図1　TIはGaN半導体の経験が10年以上ある　出典：Texas Instruments

GaN半導体は、元々電力効率の点でSiよりも優れていることは、GaN市場のトップ争いを演じているPower Integrationsがビデオなどで述べている。TIはPIやNavitas Semiconductorを追いかけており、GaN半導体でパワー分野を猛追している。GaNはスマートフォンやパソコンの小型電源アダプターに使われているが、ひとえにエネルギー効率が高いために小型にできることが大きなメリットとなっている。また、最近は、家庭用のエアコンの小型・高効率モーター駆動にも使われており、効率の良さの点で駆動回路を小さくできる特長が大きい。

TIはGaNパワー半導体が高耐圧だけではなく低耐圧の製品でも高効率というメリットを優先して、製品ポートフォリオを揃えている。消費電力が少ないということはGaNを使う電子回路もっと小型にできるという意味だ。

TI独自のGaNオンSi（シリコン）プロセス技術は、集積化しやすく、GaNパワートランジスタとドライバ段や回路を集積できる。さらに、8000万時間の信頼性試験にもクリアし、保護回路も集積でいるため、高電圧システムを安全に保つように設計できる。GaN製造欧路セスに使われる先進的で効率の高い装置を使って、より小型でより電力効率の高いチップを生産できるという。GaN設計技術によってより少ない水と原材料で製造できるため、GaNを使うシステム製品も環境にやさしい製品になる。

GaN半導体は耐圧900Vの製品があり、将来に渡ってさらに高耐圧へと進んでいくという。
高電圧高効率の応用としてはロボットや再生可能エネルギー、サーバーの電源など応用がある。

TIは今年のはじめに、300mmウェーハ上にGaN製造技術の開発にも成功したという。今後はGaN製造プロセスを300mmウェーハで実現できるように広げていき、将来の300mmウェーハ化に対応する。

厚さ20µmで電力効率を15%向上

パワー半導体トップのInfineon Technologiesは、9月にGaNの300mmウェーハを開発したと述べた（参考資料1）ほか、8月にはマレーシアのクリムに200mmのSiCパワー半導体工場をオープンした（参考資料2）。10月末には、厚さわずか20µmで300mmウェーハのパワー半導体ウェーハプロセスを確立した（参考資料3）。

300mmのシリコン半導体では基板のシリコンウェーハの厚さを850µm程度にしなければ割れるという心配があり、扱いやすさから厚くしてきた。しかし、パワー半導体ではpn接合で発生する厚さによる熱抵抗のため効率が悪くなることから、ウェーハ処理が終わってから薄く削ってきた。それも扱いやすさを考慮して40〜60µmまで薄くしている。

今回20µｍに薄くできたことで、基板抵抗は半減し、パワー半導体システムの電力効率は15%向上するという。ただし、これだけ薄くするとさすがに高耐圧にはできないため、高電圧の電力網や自動車などには使えないが、48V系のデータセンター系の電源用途には威力を発揮しそうだ。

参考資料
1. 「Infineon、300mmのGaNウェーハを開発、Siプロセス活用に期待」、セミコンポータル、(2024/09/12)
2. “Infineon opens the world’s largest and most efficient SiC power semiconductor fab in Malaysia”, Infineon Technologies Press Releases, (2024/08/08)
3. “Infineon unveils the world’s thinnest silicon power wafer, pushing technical boundaries and improving energy efficiency”, Infineon Technologies Press Releases, (2024/10/29)