貴金属の使用量を大幅に削減した結晶育成法の開発に成功しました

酸化ガリウム基板の製造コストを従来比10分の1へ



　NEDOは経済安全保障を強化・推進する観点から支援対象とすべき先端的な重要技術の研究開発を進める「経済安全保障重要技術育成プログラム（通称“K Program”）」の一環として、「高出力・高効率なパワーデバイス／高周波デバイス向け材料技術開発」（以下、本事業）を実施しています。
　本事業で「β-Ga2O3ウエハ、パワーデバイス及びパワーモジュールの開発」に取り組む株式会社ノベルクリスタルテクノロジーは、このたび、貴金属製のるつぼを使用しない結晶育成法の開発に成功しました。本育成法は原料融液を液滴で供給する特徴からDrop-fed Growth（DG）法と命名しました。
　DG法は、従来用いられてきたEdge defined film-fed growth（EFG）法と比べ、非常に高価な貴金属であるイリジウムの使用量を大幅に削減できます。これにより、酸化ガリウム（β-Ga2O3）基板の製造コストを従来比10分の1にすることが可能です。


[画像1: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/135644/234/135644-234-ea39f5df93d79e4e0a2e8f7746f04304-1250x1194.jpg?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
　　　　　図1　開発したDG法で育成した結晶

1．背景
　β-Ga2O3※1は、その優れた材料物性により低損失のパワーデバイス※2を作ることができ、家電、産業用機器、電気自動車などの中耐圧（数百ボルト）市場や、鉄道車両、電力系統などの高耐圧（数キロボルト）市場において必要とされるパワーエレクトロニクス機器への適用が期待されています。そのため、国内外においてβ-Ga2O3に関わる大型予算の国家プロジェクトがいくつも進められており、材料開発およびデバイス開発がさかんに行われています。
　ノベルクリスタルテクノロジーは、2015年からEFG法によるβ-Ga2O3基板を製造してきました。しかし、原料の融点が約1800℃と高いため、EFG法では原料容器となるるつぼに高温などに耐えられる非常に高価な貴金属であるイリジウムを大量に使用する必要があり、低コスト化が難しい状況でした。そこで同社は、イリジウム製のるつぼを用いない独自のβ-Ga2O3結晶育成法の開発に取り組み、2024年度からは本事業にて、その開発を進めてきました。
2．今回の成果
　加熱方式や原料供給方法を工夫することで、イリジウム製のるつぼを用いずに95mm径のβ-Ga2O3結晶を育成することに成功しました。原料を液滴させることでるつぼを無くすことができます。
　誘導加熱※3により金属円筒を加熱し、加熱室内の温度を上昇させます。それにより、結晶（種結晶）の表面が加熱室の開口部からの輻射で加熱溶融されます。この開口部の形状により、結晶表面の温度分布制御が容易になり、結晶径に合わせた最適な温度分布が実現しやすく大口径化が可能になります。原料融液を液滴で結晶表面に連続的に供給しながら結晶を下降させることで、結晶育成が進行します（図2）。
　開発したDG法の特徴は以下の通りです。

　・貴金属製のるつぼを使用しないため、イリジウムの使用量を大幅に削減可能
　・結晶育成面を加熱溶融するため、大口径化が容易
　・原料を連続供給するため、長尺結晶の製造が可能

[画像2: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/135644/234/135644-234-a1ea1854262edd90381ec717cd8af17e-1536x1018.jpg?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
　　　　　図2　結晶育成装置のイメージ


　図3にDG法で育成した95mm径のβ-Ga2O3結晶を示します。A部分が種結晶であり、その上のB部分が育成した結晶になります。結晶は円柱形状であり、結晶育成長は50mmです。n型結晶になるように不純物を添加しています。β- Ga2O3結晶はn型不純物のみを添加した場合、青色の結晶になります。育成した部分は濃い青色となっており、n型結晶であることが分かります。

[画像3: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/135644/234/135644-234-dcf8a82dcc8a4059d9aeab68501d8fcb-1498x1333.jpg?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
　　　　　　　図3　DG法で育成した結晶　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （Aの部分は種結晶で、Bの部分が育成長を示す）

　DG法では、貴金属イリジウムの使用量の大幅削減などにより、従来のEFG法よりもβ-Ga2O3基板の製造コストを10分の1に低減できると試算されます。
なお、DG法は国内外で特許を出願し、権利化を進めています。

　・日本：特許第7633637号（登録）、特開2025-061932（審査中）
　・米国：US 11,725,299 B2（登録）、US 12,163,246 B2（登録）
　・欧州：EP 3 945 147 A1（審査中）
　・中国：CN 114000188 A（審査中）
3．今後の予定
　ノベルクリスタルテクノロジーは、DG法の大口径化と結晶品質の向上に取り組み、2029年から150mm（6インチ）基板、2035年から200mm（8インチ）基板の出荷を予定してします。

【注釈】
※1　β-Ga2O3
ガリウムと酸素の化合物で、ワイドギャップ半導体の一つです。
※2　パワーデバイス
高耐圧、高電流を制御することが可能な半導体素子のことで、インバーターなどの電力変換機器に用いられます。
※3　誘導加熱
結晶育成において、高周波の電流をコイルに流すことでできる磁界により、コイル内側に設置した金属性のるつぼなどに渦電流を生じさせて加熱する方式です。

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