低炭素社会の実現に向けた技術および経済・社会の定量的シナリオに基づく
イノベーション政策立案のための提案書
国立研究開発法人科学技術振興機構低炭素社会戦略センター
Proposal Paper for Policy Making and Governmental Actiontoward Low Carbon Societies
GaN系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい応用の展望（Vol.4）－GaNパワーデバイス製造コスト－
Technological Issues and Future Prospects of GaN and Related Semiconductor Devices (Vol.4):Manufacturing Cost of GaN Power Device
令和2年 2月
LCS-FY2019-PP-05
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）低炭素社会戦略センター（LCS）
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書GaN系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい応用の展望（Vol.4）令和2年 2月
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書 GaN 系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい 応用の展望（Vol.4） 令和 2 年 2 月
GaN MOSFET に 4 インチ GaN 400 /
の 10mm チッ 16 20 /
の 60 る の る の に技術 GaN 1 インチ 10
る の に GaN MOSFET の 10mm チッ 5 に
る SiC の る の エピタキシ 成長 の 50 るの の の ン
る の 大 の 生産 の p 成技術
る に に に高生産 の成膜 法 p 成技
術 の高 の開発 る
S u m m a r y The GaN MOSFET manufacturing cost was estimated by a simplified manufacturing process. The 10mm
chip manufacturing cost was estimated to be 16,000~ 20,000 JPY / piece when using a 4-inch GaN substrate (400,000 JPY / piece). At present, the cost of the substrate accounts for nearly 60% of the manufacturing cost, so it is important to reduce the substrate price.
I f technical issues can be cleared as described in the previous report, the GaN single crystal substrate cost may be reduced to about 10,000 JPY per inch. I n this case, a 10 mm chip of GaN MOSFET would cost about 5,000 JPY . I n addition, technology that makes full use of cheaper substrates, such as SiC substrates, is also an issue to be studied.
Since the epitax ial growth eq uipment accounts for 50% of the eq uipment cost, it is important to reduce the cost of this process. For this reason, the use of a large-diameter substrate, a large number of substrates, and a reduction in production time, p-layer formation technology, etc. are the issues to be studied. I n addition, it will be important to develop the process of markedly higher productivity than the present, the efficient p-layer forming method, and the new device structure in the future.
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1. に ................................................................................................................................................ 1 2. ........................................................................................................................................................ 1
2.1 ................................................................................................................................................... 1 2.2 GaN ........................................................................................................................................... 2 2.3 SiC ............................................................................................................................................ 2 2.4 ッ Si .................................................................................................................. 2
3. イ ......................................................................................................................... 2 3.1 .................................................................................................................................................. 2 3.2 .................................................................................................................................. 3 3.3 レー イ ............................................................................................... 3 3.4 レンチ イ ............................................................................................... 6
4. イ ............................................................................................................................. 8 4.1 レー イ ....................................................................................................................... 8 4.2 レンチ イ ..................................................................................................................... 10
5. に る ............................................................................................... 10 5.1 の ......................................................................................................................... 10 5.2 チッ イ の ..................................................................................................................... 11 5.3 イ の ......................................................................................................................... 11
6. .................................................................................................................................................. 11 7. の の ....................................................................................................................... 12
................................................................................................................................................... 12
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1
1 . めに
GaN の 高 イド ンド ッ 高 高 の
イ る GaN イ Si SiC の他の イ
に に け に る
のレ ー GaN イ の 他の の
る イ の に る イ の の
に る の に
る 開
イ の レー ー LED 高 ー イ る
ー イ の る る MOSFET に る に
の 大 に長 の ング に の に に大
る に
2 .
2.1 GaN イ の GaN SiC GaN/ B L /Si の 3
る る の 1 の お る
1 G a N デバイス用
* 1 2018 * 2 https: / / www.ys-consulting.com.tw/ news/ 79538.html
GaN に GaN イ 成 の
る る GaN の 開発 る
a a
定 10nm 3.189 5.178 5.43 3.073 10.053
10-6/K 5.59 3.17 2.4 4.2 4.68
W/cm/K 2 1.3 4.9
ップ eV 3.37 1.11 3.23
動 cm2/V/sec 1,200 1,500 1,000
(MV/cm) 2.6 0.3 2.8
9 11.8 10
価 千円/11(1 GaN0( ） 1
）価
量ス ット
ッ造
200 ~ 00 ） 140 ~ 0 ） 110 ~ 120
） 1
GaN
価
コスト GaN単
ス ット 小
価 定コスト 単
単GaN
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2
に の に の技術 レー ー Si にの の る る 技術の [1]
SiC 4 インチ 40 50 / 2 インチ の GaN 200 400 /る SiC GaN に の GaN エピタキシ
膜 る る SiC 大 に る GaN/SiCに る
Si 高 大 の る 大の長 12 インチ
11 る[2] のミ ッ 大
の ッ の 成 る 2.2 GaN
に の る 4 インチの 400 /
る 6 インチ に る の 600/
2.3 S i C
SiC GaN る 法に る 成
の 法 法 る 法 高 の の SiC気 の に の に 成長 る SiC
の の SiC にお にキラー
る の る る の 開発 4 6 インチの
る 4 インチ 100 / 6 インチ 200/
2.4 バ S i
Si ミ ッ 大 の GaN のエピタキシ 成長
AlN/AlGaN/ 膜 Si に 成 の に GaN エピタキシ
成長 る 法 る[3-5] 膜 にお 成に る
Si の SiC の る 4 インチ
40 / 6 インチ 60 /
3 . デバイス ス
3 .1 イ に レー ー LED 高 イ ー イ
に の に イ 大
る るの る の る
に の の イ の け
に る る 発 イ にお GaN/sapphire に る LED に
お GaN に る エ ー 大
GaN 発 る る ー イ に る に
イ 長 の る の の
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3
ング に のに 3.3 3.4 に
3 .2 素 ー イ GaN の MOSFET る の 1 に
レー ー に p の ー
ドレイン に る[6] の る の 技術 る
る イ ン の エピタキシ 成長
高 に るの る の る 法 レンチ
る [7] る の の る 大
る に大 ー イ る
G a N M O S F E T （ ）
3 .3 デバイス ス
MOSFET る の 2 3 に
3 に に の ラン タ タイ
2 の の の n- -GaN エピ 成 の
る エピタキシ 成膜 50nm/min ドライエッチング 460nm/minお GaN FET の る GaN ー イ に
有の [8-11] の に の ラン る に に GaN FET 1300
る に タ タイ の お
n- -GaN エピ 成 の 2 に
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2
に の に の技術 レー ー Si にの の る る 技術の [1]
SiC 4 インチ 40 50 / 2 インチ の GaN 200 400 /る SiC GaN に の GaN エピタキシ
膜 る る SiC 大 に る GaN/SiCに る
Si 高 大 の る 大の長 12 インチ
11 る[2] のミ ッ 大
の ッ の 成 る 2.2 GaN
に の る 4 インチの 400 /
る 6 インチ に る の 600/
2.3 S i C
SiC GaN る 法に る 成
の 法 法 る 法 高 の の SiC気 の に の に 成長 る SiC
の の SiC にお にキラー
る の る る の 開発 4 6 インチの
る 4 インチ 100 / 6 インチ 200/
2.4 バ S i
Si ミ ッ 大 の GaN のエピタキシ 成長
AlN/AlGaN/ 膜 Si に 成 の に GaN エピタキシ
成長 る 法 る[3-5] 膜 にお 成に る
Si の SiC の る 4 インチ
40 / 6 インチ 60 /
3 . デバイス ス
3 .1 イ に レー ー LED 高 イ ー イ
に の に イ 大
る るの る の る
に の の イ の け
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お GaN に る エ ー 大
GaN 発 る る ー イ に る に
イ 長 の る の の
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4
2 ス と 応 素
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5
2 ス と 応 素 （ ）
3 （n - - G a N ）
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4
2 ス と 応 素
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6
2 n - - G a N の の
* H P （h t t p s : / / w w w .t om o- e .c o.j p / c h e m i c al/ p r od u c t s / d e t ai l.p h p ? p ag e = 1 & c at e g or y = D e v e lop m e n t & i d = 27 C Q VU Z ） 3 .4 デバイス ス
レンチ イ 4 の に る の イ る
エピタキシ 1 る の の る
レー の お GaN FET の レー レンチ
に る
GaN 1 単価 小計年 375,000年 337,500 90%年 7,200 /年
6 /
設 15 m2/ 885 m2
0.050 m/2 m
144.00 hr１ 7 hr1 年 ッチ 9601 費 25 kW 1,475 kW
設備 58.6 59 350 20,650 百万円年 費 421,900 / 49,784,200 kWh定 4 / 59 7 413 百万円
2費 2,950 kW
設備 118 41,300 百万円費 118 826 百万円
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4 ス と 応 素
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6
2 n - - G a N の の
* H P （h t t p s : / / w w w .t om o- e .c o.j p / c h e m i c al/ p r od u c t s / d e t ai l.p h p ? p ag e = 1 & c at e g or y = D e v e lop m e n t & i d = 27 C Q VU Z ） 3 .4 デバイス ス
レンチ イ 4 の に る の イ る
エピタキシ 1 る の の る
レー の お GaN FET の レー レンチ
に る
GaN 1 単価 小計年 375,000年 337,500 90%年 7,200 /年
6 /
設 15 m2/ 885 m2
0.050 m/2 m
144.00 hr１ 7 hr1 年 ッチ 9601 費 25 kW 1,475 kW
設備 58.6 59 350 20,650 百万円年 費 421,900 / 49,784,200 kWh定 4 / 59 7 413 百万円
2費 2,950 kW
設備 118 41,300 百万円費 118 826 百万円
8 国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）低炭素社会戦略センター（LCS）
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8
4 . デバイス ス
4.1 デバイス 4.1.1
3 に に る に
[2]に の 機 の 1500 の GaN エピタキシ
770 エピタキシ の 大 に の
3800
3 G a N M O S F E T
4.1 .2 3 に ラン に の に
4 に
単価 費百万円 百万円
ス 設備 2,000221 350 77,350
2 160 150 24,000
Ga( 3)3 設備 221 10 2,210
ス 8 30 240
コ 8 100 800
ス ッ 8 300 2,400
スト 28 30 840
RIE 24 100 2,4004 50 200
ス ッ 2 400 800
ッ 6 100 6006 30 1803 60 1802 70 140
チップ 3 60 180
ス 3 60 180
ス 7 50 350
設備 1 18045 10 450
10,000 800 8,000ス 設備 0 30,410
費小計 154,100
225,000計
計 379,000
費 1
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9
4 G a N M O S F E T
4.1 .3 ス
お にGaN10t/ 相 の 4インチ ー 375,000 10mmの MOSFET 1300 の の 5 に に 20,000 / の の
11,400 55 の る
5 G a N M O S F E T デバイス（1 0 m m ）の ス
る GaN エピタキシ 成長 の 大 の 50る の の生産 る に の大 膜成長
の高 有 る お に 5 の 5%
金 の 3.5 / 金 の 1/2 に
に る
GaN 13,310,000 チップ/年
チップ
単価 単 変動費
年 量 円/
GaN 374,600 400,000 円/ 0.028 /チップ 11,260.00
G 9,040 200,000 円/ 0.001 /チップ 135.84
4 10,560 50,000 円/ 0.001 /チップ 39.67
Ar 1,000 Nm3 400 円/m3 0.000 [m3/チップ 0.03
N 3 67,600 1,000 円/ 0.005 /チップ 5.08
2 22,300 Nm 60 円/m3 0.002 [m3/チップ 0.10
N2 178,000 Nm 14 円/m3 0.013 [m3/チップ 0.19
a 10,000 33 円/ 0.001 /チップ 0.02
53,700 12 円/ 0.004 /チップ 0.05
240 4,000 円/ 0.000 /チップ 0.07
計 100,000 Nm3 4 円/Nm3 0.008 [m3/チップ 0.03
変動費 計 11,440.00
単価(円/個）
製造量 GaN10mmチップ 13,310,000 個/年設備費 379,000 百万円
固定費 ※１設備償却費 108,015,000 千円/年 8,120※２労務費 2,367,750 千円/年 180小計 8,300
変動費 11,440
製造コスト 19,700
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8
4 . デバイス ス
4.1 デバイス 4.1.1
3 に に る に
[2]に の 機 の 1500 の GaN エピタキシ
770 エピタキシ の 大 に の
3800
3 G a N M O S F E T
4.1 .2 3 に ラン に の に
4 に
単価 費百万円 百万円
ス 設備 2,000221 350 77,350
2 160 150 24,000
Ga( 3)3 設備 221 10 2,210
ス 8 30 240
コ 8 100 800
ス ッ 8 300 2,400
スト 28 30 840
RIE 24 100 2,4004 50 200
ス ッ 2 400 800
ッ 6 100 6006 30 1803 60 1802 70 140
チップ 3 60 180
ス 3 60 180
ス 7 50 350
設備 1 18045 10 450
10,000 800 8,000ス 設備 0 30,410
費小計 154,100
225,000計
計 379,000
費 1
10 国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）低炭素社会戦略センター（LCS）
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10
4.2 デバイス MOCVD の け の の
6
6 G a N M O S F E T デバイス（1 0 m m ）の ス
30 16,000 /チッ
エピタキシ の
10,000 の 60
5 . ス に
レー に レンチ 30る る
5 .1 ス の
4 インチ GaN FET イ の に る
5 に 40 / GaN/ B L/Si 100 / エピ SiC400 / GaN る に
る の に
100 / 11 / の イ る
5 ス とデバイス ス
単価(円/個）
製造量 GaN10mmチップ 14,900,000 個/年設備費 292,000 百万円
固定費 ※１設備償却費 83,220,000 千円/年 5,590※２労務費 3,675,000 千円/年 250小計 5,840
変動費 10,110
製造コスト 16,000
0
5 , 0 0 0
1 0 , 0 0 0
1 5 , 0 0 0
20 , 0 0 0
25 , 0 0 0
0 20 0 40 0 6 0 0 8 0 0
ス（
/）
ス （ / ）
4"
6"
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11
イ GaN SiCSiC の る GaN の に SiC
る
5 .2 イ の
チッ イ の の イ 1 の に
る る にチッ イ 大 高 る
4 インチ GaN チッ イ に 7 の
7 デバイスの イ と ス （ 4 ” ）
5 m m 4, 7 0 0 /
1 0 m m 20 , 0 0 0 /
1 5 m m 6 4, 0 0 0 /
5 .3 イ の
6 インチ GaN チッ イ に 8 の
8 デバイスの イ と ス （ 6 ” ）
5 m m 2, 40 0 /
1 0 m m 1 1 , 0 0 0 /
1 5 m m 26 , 0 0 0 /
に 6 インチ GaN に の 10mm チッ の 9に GaN on Si 6 インチ 60 ータ る[2]
9 と 1 0 m m F E T ス （6 ” ）
6 0 / 4, 5 0 0 /
20 0 / 6 , 1 0 0 /
6 0 0 / 1 1 , 0 0 0 /
エピ SiC 6 インチ 200 お 技術 に 6 インチ GaN 60 る
[1] 6 インチ GaN 60 10mm イ の MOSFET5,000 る る る
6 . とめ
GaN MOSFET に 4 インチ GaN400 / の レー 10mm チッ 20,000 /
レンチ 16,000 /
の 60 る イ
る に の る
[1]に に 技術 GaN 1 イ
ンチ 10 る の に GaN MOSFET の
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GaN 系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい
応用の展望（Vol.4） 令和 2 年 2 月
10
4.2 デバイス
MOCVD の け の の
6
6 G a N M O S F E T デバイス（1 0 m m ）の ス
30 16,000 /チッ
エピタキシ の
10,000 の 60
5 . ス に
レー に レンチ 30る る
5 .1 ス の
4 インチ GaN FET イ の に る
5 に 40 / GaN/ B L/Si 100 / エピ SiC400 / GaN る に
る の に
100 / 11 / の イ る
5 ス とデバイス ス
単価(円/個）
製造量 GaN10mmチップ 14,900,000 個/年設備費 292,000 百万円
固定費 ※１設備償却費 83,220,000 千円/年 5,590※２労務費 3,675,000 千円/年 250小計 5,840
変動費 10,110
製造コスト 16,000
0
5 , 0 0 0
1 0 , 0 0 0
1 5 , 0 0 0
20 , 0 0 0
25 , 0 0 0
0 20 0 40 0 6 0 0 8 0 0
ス（
/）
ス （ / ）
4"
6"
12 国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）低炭素社会戦略センター（LCS）
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低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書 GaN 系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい 応用の展望（Vol.4） 令和 2 年 2 月
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[1] の に け の の , 技術開発 , “GaN イ の
技術開発 の の Vol.2 GaN ”, 技術
機 ンター, 2018 2 . [2] , “18 ー イ エレ 機 の
”, 2018 2 . [3] イ ン ング, “ 8 インチ エ ー, 生産 ”, https: / / www.ys-
consulting.com.tw/ news/ 79538.html, 2018 10 . [4] , “MOVPE 法に る GaN の 気 に る ”, 大
, 2009 3 . [5] 成 他, “Si 高 GaN HFET の開発”, , 122 , p.22-28, 2008. [6] 木 他, “高 SiC MOSFET SEI レ ュー, 183 , p.125-129, 2013. [7] Tohru Oka et al., “1.8mohm/ cm2 vertical GaN-based trench metal-ox ide-semiconductor field-effect
transistors on a free-standing GaN substrate for 1.2-kV-class operation”, Appl. Phys. Ex press 8, 054101, 2015.
[8] 他, “シ ン GaN ー イ エピタキシ 成長 有機金属気相成長
の ”, J. Vac. Soc. Jpn. 54(6) p.376-380, 2011.
13国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）低炭素社会戦略センター（LCS）
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書GaN系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい応用の展望（Vol.4）令和2年 2月
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書 GaN 系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい 応用の展望（Vol.4） 令和 2 年 2 月
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[9] Chih-Kai Hu, et al., “Numerical Verification of Gallium Nitride Thin-Film Growth in a Large MOCVD Reactor”, Coatings 7(8), 112, 1-10, 2017.
[10] 大川和宏他, “有機金属気相エピタキシー法における GaN 薄膜の成長シミュレーション”, J. Vac. Soc. Jpn., 49(9) p.520-524, 2006.
[11] 鈴木宏之他, “MEMS・LED 高生産ドライエッチング技術の開発”, Panasonic Technical Journal 55(3), p.63-65 , 2009.
[12] Hideki Sakurai et al., “Highly effective activation of Mg-implanted p-type GaN by ultra-high-pressure annealing”, Appl. Phys. Lett. 115, 142104, 2019.
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書 GaN 系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい 応用の展望（Vol.4） 令和 2 年 2 月
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の に GaN イ の る に
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[8] 他, “シ ン GaN ー イ エピタキシ 成長 有機金属気相成長
の ”, J. Vac. Soc. Jpn. 54(6) p.376-380, 2011.
低炭素社会の実現に向けた技術および経済・社会の定量的シナリオに基づく
イノベーション政策立案のための提案書
本提案書に関するお問い合わせ先●提案内容について ・ ・ ・ 低炭素社会戦略センター 上席研究員 三枝 邦夫 (SAEGUSA Kunio)
●低炭素社会戦略センターの取り組みについて ・ ・ ・ 低炭素社会戦略センター 企画運営室
〒102-8666 東京都千代田区四番町5-3 サイエンスプラザ4 階
TEL ：03-6272-9270 FAX ：03-6272-9273 E-mail ：
https://www.jst.go.jp/lcs/
© 2020 JST/LCS
許可無く複写 ・複製することを禁じます。
引用を行う際は、必ず出典を記述願います。
GaN系半導体デバイスの技術開発課題とその新しい応用の展望（Vol.4）－GaNパワーデバイス製造コスト－
令和 2年 2月
Technological Issues and Future Prospects of GaN and Related Semiconductor Devices (Vol.4):
Manufacturing Cost of GaN Power Device
Proposal Paper for Policy Making and Governmental Actiontoward Low Carbon Societies,
Center for Low Carbon Society Strategy,Japan Science and Technology Agency,
2020.2
国立研究開発法人科学技術振興機構 低炭素社会戦略センター
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