半導体は「結晶がきれい」なほどいい。「世界一美しいSiC」をつくる技術
次世代パワー半導体で注目される「SiC」
AIやEVの普及で、半導体にはさらなる高性能化、省電力化が求められている。そこで開発が進んでいるのが、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）など、シリコンに代わる新しい材料を使った次世代のパワー半導体だ。なかでもSiCは、大きな電力を効率よく扱えることから、EVや鉄道、再生可能エネルギー向けのインバーターなどで利用が広がっている。
このSiCを開発しているのが、名古屋大学発スタートアップの株式会社UJ-Crystalだ。同社のウェブサイトを見ると、「世界一美しい結晶」とある。半導体なのだから「高性能」とか「省電力」とかならわかるが、「美しい」って何だ。
半導体は、結晶がきれいなほうがいい
ここでいう「美しい」とは、原子が規則正しく並んでいること。原子の並びに乱れがあると「結晶欠陥」になる。SiCウエハは、その上に半導体デバイスをつくる土台なので、欠陥が少ないほど、使えるチップを多くつくれる。すなわち、歩留まりが上がり、製造コストが下がる。また、結晶欠陥はデバイスの耐圧や信頼性を低下させる原因にもなる。つまり「美しい結晶」は、見た目の話ではなく、半導体のコストや性能にかかわる重要な要素なのだ。
透明な氷と、白い霜の違い
その美しい結晶をどうやって作るのか。現在、SiC単結晶の製造で一般的なのは「昇華法」だ。固体のSiC原料を2000℃以上の高温で昇華させ、気体になった原料から結晶を成長させる。これに対して、UJ-Crystalが取り組んでいるのが「溶液成長法」。高温の液体に原料を溶かし、溶液からSiCの結晶を成長させる方法だ。
違いは、「気体から結晶をつくるか」と「液体から結晶をつくるか」。氷の結晶をイメージするとわかりやすい。冷凍室にこびりつく霜は、水蒸気から直接、細かな氷の結晶に成長する。結晶の形や向きがそろっていないため光が散乱し、白く見える。これに対して、水もゆっくりと凍らせると、結晶のそろった透明な氷をつくることができる。
SiCも、きれいな結晶をつくるには、原子をできるだけ規則正しく並べたい。UJ-Crystalの溶液成長法は、溶液からSiCを成長させることで、従来の昇華法よりも結晶欠陥を減らせるのが特徴だ。
2000℃の世界をシミュレーション
溶液成長法の課題は、結晶を大型化しながら、品質を均一に保つことだ。パワー半導体の製造コストを下げるには、SiCウエハの大型化が重要になる。ウエハの面積が広くなれば、1枚からより多くの半導体チップを製造できる。
しかし、大型化すると結晶を成長させる範囲も広くなり、温度や流れのわずかな違いでも、結晶の成長速度や品質に影響する。2000℃を超える炉内の温度や溶液の流れを把握しながら製造条件を調整する必要があるが、高温の炉内を直接観察することも難しい。
そこでUJ-Crystalは、名古屋大学で培われてきた計算科学とAIを活用している。スーパーコンピューターによるシミュレーションで、炉内の温度分布や溶液の流れを計算し、実験では直接観察しにくい内部の状態を推定する。さらに実験データと機械学習を組み合わせ、結晶を安定して成長させるための条件を探索している。
8インチ化で量産へ
UJ-Crystalを含む研究グループは2025年、溶液成長法による6インチのp型SiCウエハと、6インチ・8インチのn型SiCウエハの試作に成功した（参考）。SiCウエハを6インチから8インチに大型化すると、ウエハの面積は約1.8倍になる。その分、1枚のウエハから製造できるチップ数を増やし、生産効率を高められる。これらの試作は、「世界一美しい結晶」の量産に向けた大きな一歩だ。
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