ロームのパワー半導体「EcoGaN」が日経優秀製品・サービス賞の日経産業新聞賞を受賞した。窒化ガリウム（GaN）を使った半導体で、従来のシリコン製と比べて電力ロスを6割減らせるのが特徴だ。日本が優位に立つとされるパワー半導体分野で、シリコン、炭化ケイ素（SiC）に次ぐ第3の矢として世界のニーズを射止めようとしている。

EcoGaNは電力の供給・制御を効率化する「パワー半導体」の一種だ。窒素とガリウムの化合物「GaN」が材料で、周波数を高めることで、電気を細かく制御することができる。ドローンなどの部品の小型化につながる。

同じくパワー半導体の一種であるシリコンを使った半導体は制御に伴い電力のロスが発生しやすい欠点があるが、GaNはそれが抑えられる。SiCは高電圧や大電力が求められる電車や電気自動車（EV）といった用途に向いている一方、GaNは高頻度で電流のオン・オフが求められるデータセンターや通信基地局でも強みを発揮できるとみられる。

ロームがGaN製のパワー半導体の開発に着手したのは2007年だ。すでにパワー半導体ではSiCについて、京都大学などと研究を始めていた。パワー半導体の候補を考える上で、電力の損失を減らそうという発想があったのがきっかけでGaNに着目した。量産化に向けて18年に本格的な研究に入った。

GaNは薄い膜の様々な材料を重ねることで、高電子移動度トランジスタ（HEMT）の性能を上げていく。その膜に欠陥が出たり、ひびが出ないように「安定的に成膜するのに苦労した」（LSI事業本部商品設計担当の吉持賢一課長）。一度うまくいっても、もう一度同じものを作ろうとするとうまくいかないこともあり、量産化まで丸4年かかった。

量産体制の確立にはこれまでの研究成果の蓄積が大きく寄与している。例えば発光ダイオード（LED）のノウハウだ。GaNは青色LEDの開発、製造に必須の材料であり、過去の経験を活用することが量産化技術のブレークスルーにつながった。

EcoGaNを含むロームの製品戦略を主導する伊野和英取締役は「最初はそこまでしなくても既存の半導体の装置で作れると思っていた」と振り返る。

現状、GaN製半導体の量産体制を確立しているのは「国内ではロームだけ」（伊野取締役）だが、海外に目を向けるとライバルは多い。

先行企業に勝つために打ち出したのがデバイスの頑丈さだ。ロームはGaNデバイスに対する顧客の要望を聞く上で、実際にデバイスを駆動させるのに必要な電圧と、デバイスの性能を保証する上限の電圧値との余裕が少なく、安定的に性能を発揮させるのが難しいことがわかった。

そこで装置メーカーなどとの研究を重ね、独自構造を作ることに成功した。現在はゲート電極に5～8ボルトの電圧をかけても、デバイスの性能が十分に発揮できる頑丈さが強みになっている。

浜松市の工場で設備を整え、満を持して22年春に量産体制に入った。ロームとしては現在のパワー半導体の売上高の大半は、シリコンやSiCでシェア拡大を狙っている。ただ、今後は急速にドローンやデータセンターへの需要が増える見通しで、小型軽量化や高速スイッチングによる消費電力を削減できることへのニーズは一層高まるとみている。EcoGaNは25年以降の業績に上乗せする戦略を描いている。

すでにグローバルでの需要取り込みにも動いている。ロームはGaNデバイスについて台湾の電源管理システム大手、デルタ電子と半導体開発の戦略的パートナーシップを結んだ。デルタは携帯基地局やデータセンターに使う電源管理システムの世界大手だ。デルタの電源システムへのGaNデバイスの搭載を目指す。

GaN製デバイスは安定した構造を持ち、周波数を高められる。しかしその性能を十分に発揮させるには乗り越えるべきいくつかのハードルがある。

一つは高速スイッチングをするための適切な指示を出せるかどうかだ。GaNデバイスはあくまで指示を受けてはじめてアクションを起こす。デバイスがどれだけ速く反応できたとしても、「速く動きなさい」という指示が的確にできなければ、デバイスの効果を発揮できない。

その指示をだすのが大規模集積回路（LSI）だ。ロームはLSIを製造・販売しており、GaNとパッケージで売り込めるのがパワー半導体の専業メーカーにはない強みだ。「素早く指示を出せるLSIを一緒に売り込み、先行する他社に差を付けられる」（LSI事業本部の山口雄平統括課長）とみている。

GaNデバイスを担当する部署が「LSI事業本部」の中にあるのも、両者は切っても切れない関係にあるからだ。ICやLSIと一緒にパワーデバイスを提案できる企業は数少ない。

もう一つの課題は基板そのものをGaNで作れるかどうかだ。現在のGaNデバイスはシリコンの上にGaNを載せる横型が主流だ。横型は素子の表面にだけ電流が流れるため、大きな電力を通すことができない。

しかし、GaNの上にGaNを載せる縦型ならば素子の全体に電流が流れるため、大きな電力を扱うことができる。ロームは今は横型に注力しているが、縦型も「ウオッチしている」（伊野取締役）

大きな電力を流すことができれば、大電流を扱えるSiCの利点も取り込んだ、より強みのあるパワー半導体を作ることが可能になる。

GaNを巡っては多くの企業や大学がパワー半導体での採用をにらんだ研究開発に力を注ぐ。22年3月には豊田合成が大阪大学と共同でGaN基板の大口径化に成功したと発表した。ナトリウムとガリウムを混合した液体金属の中でGaNの結晶を成長させる「ナトリウムフラックス法」という手法を活用し、世界最大級となる6インチを超える高品質GaN基板を作製した。

もともと日本ではGaN研究が進んでいる。根底にあるのが青色発光ダイオード（LED）の基板として開発された日本発の技術だからだ。14年に名古屋大学の天野浩教授らがノーベル賞を受賞したことでも知られている。

半導体の材料となる窒化ガリウムの基板では、三菱ケミカルや住友化学、住友電気工業などの日本企業が世界で存在感を示す。特許庁のGaNパワーデバイスの出願件数を国籍・地域別でみると、日本が全体の43.9%を占めており、中国や米国に大きく差を付ける。

GaN製パワー半導体への日本勢の取り組みは国内半導体産業全体を底上げするという点で重要だ。日本の半導体産業はピークだった1988年には50%と世界首位のシェアを握っていたが、足元では10%程度に低下している。かつて先行していたメモリーなどはシリコン基板の上に微細回路を構築する技術が進んで数兆円規模の設備投資を競うようになり、台湾や韓国勢に追い抜かれた。

そうした中でパワー半導体は日本勢が今も約3割のシェアを持つ。GaNなど化合物の素材開発などの知見が必要なため研究で先行している優位性を生かしやすい。ロームは市場が立ち上がる前に量産体制をつくり今後本格化する海外勢との競争に備える。

GaNデバイスは今後大きく伸びる見通しだ。英調査会社のオムディアによるとパワー半導体の素材別で、GaNの市場規模は27年に3億8000万ドル（約500億円）と、20年に比べ9倍になる。パワー半導体全体（約290億ドル）に比べれば規模はまだ小さいが、「GaNは間違いなく伸びる注目の素材だ」（伊野取締役）。

台湾の調査会社トレンドフォースによると、世界のGaNデバイスのプレーヤーのうち米ナビタスセミコンダクターが世界シェアの約3割を握っている程度だ。市場はまだ確立しておらず、シリコンデバイスでは顔を出さなかった中小企業など新興勢力も含めて、各社が量産に向け研究開発を進めている。

ロームは26年3月期までにSiCパワー半導体に最大2200億円投資する計画を表明している。GaNデバイスでも量産体制を整えた。同社が目指す「パワー・アナログ半導体の分野で、世界トップ10」を達成するには、EcoGaNを世界ブランドへと成長させるための戦略が欠かせない。

（鈴木洋介、京都支社　新田栄作）