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パワー半導体、無線通信、光デバイスなど様々な用途に用いられる化合物ウエハ

材料
2020.04.07

化合物半導体ウエハに関する最新の動向や市場規模、種類、用途、主要メーカーについて詳しく解説します。半導体業界に携わるエンジニアや技術者必見の情報が満載です。

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化合物半導体ウエハに関する最新ニュース

1. 2030年までに市場規模67億ドルへ急成長

化合物半導体ウエハ市場は、2024年から2030年にかけて年平均成長率（CAGR）12.8%で拡大し、2030年までに67億ドルに達すると予測されています。この成長を牽引する要因として、電子デバイスの需要増加、LED照明の普及、スマートテクノロジーにおける化合物半導体の採用拡大が挙げられます。特に、ヘルスケア分野での需要が高まっており、医療機器や診断装置への応用が期待されています。また、自動運転車やスマートフォンの普及が進むアジア太平洋地域が最も高い成長率を示すと予想されています。

2. 大口径ウエハへの移行が加速

SiCやGaN-on-Siliconでは200mmウエハへの移行が進んでおり、自動車や消費者市場におけるパワーエレクトロニクスの成長がこの動きを後押ししています。特に、中国のInnoscience社が200mmウエハを用いた大量生産を行っており、InfineonもVillachとKulimのGaNファブで200mmプラットフォームに注力しています。一方、フォトニクス分野ではInPの150mmウエハの使用が増加しており、データコム市場の拡大がこの傾向を促進しています。

3. 新たな基板材料の探索が活発化

化合物半導体業界では、性能と製造コストの限界を押し上げるため、新しい材料やプラットフォーム、設計の探索が続いています。Ga2O3、ダイアモンド、バルクGaN、GaSb、InSb、バルクAlN、スマートSiC、多結晶AlNベースのエンジニアリング基板など、さまざまな新興半導体基板が開発されています。2028年までに、これら新興基板市場は2億6,450万ドルに成長すると予測されており、特にパワーアプリケーション向けのエンジニアリング基板が市場を牽引すると見込まれています。

化合物半導体ウエハとは？

1. 化合物半導体の定義

化合物半導体とは、2種類以上の元素から構成される半導体材料のことを指します。主にⅢ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族の元素の組み合わせで作られ、シリコンなどの単一元素半導体とは異なる特性を持ちます。代表的な化合物半導体には、ガリウムヒ素（GaAs）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）などがあります。これらの材料は、高速動作、高周波特性、発光・受光機能など、シリコンでは実現困難な特性を持つことが特徴です。

2. 化合物半導体ウエハの製造プロセス

化合物半導体ウエハの製造は、主に結晶成長と呼ばれるプロセスから始まります。代表的な方法として、チョクラルスキー法やブリッジマン法などがあります。結晶成長後、インゴットを薄くスライスしてウエハを作製し、研磨工程を経て高品質な表面を実現します。さらに、エピタキシャル成長技術を用いて、ウエハ表面に機能層を形成することで、より高性能なデバイスの製造が可能になります。この製造プロセスは非常に精密で高度な技術を要するため、専門の製造装置と厳密な品質管理が必要とされます。

3. 化合物半導体ウエハの特徴と利点

化合物半導体ウエハは、シリコンウエハと比較して様々な優れた特性を持っています。例えば、電子の移動度が高いため、高速・高周波デバイスの製造に適しています。また、直接遷移型のバンド構造を持つ材料が多いため、発光デバイスの製造が可能です。さらに、広いバンドギャップを持つ材料もあり、高温・高電圧環境下での動作に適したパワーデバイスの製造にも使用されます。これらの特性により、化合物半導体ウエハは、5G通信、電気自動車、再生可能エネルギー、AI、IoTなど、最先端の技術分野で重要な役割を果たしています。

化合物半導体ウエハの市場規模

1. 現在の市場規模と成長率

化合物半導体ウエハの市場は急速に拡大しており、2022年の市場規模は37.7億ドルと推定されています。さらに、2023年から2029年にかけて年平均成長率（CAGR）17%で成長し、2029年には33億ドルに達すると予測されています。この成長は、5G通信、電気自動車、再生可能エネルギー、データセンターなどの分野における需要増加に支えられています。特に、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体の需要が急増しており、市場拡大の大きな要因となっています。

2. 地域別の市場動向

化合物半導体ウエハ市場は、地域によって異なる成長パターンを示しています。アジア太平洋地域が最大の市場シェアを占めており、2023年から2031年にかけてCAGR 12.2%で成長すると予測されています。特に中国市場の拡大が著しく、政府の半導体産業育成策により、国内での化合物半導体ウエハの生産能力が急速に向上しています。一方、北米市場も急成長しており、2023年から2031年にかけてCAGR 15.7%で拡大すると予想されています。米国では、5G通信やAI、自動運転技術の発展に伴い、高性能な化合物半導体デバイスの需要が高まっています。

3. 市場成長の主要因

化合物半導体ウエハ市場の成長を牽引する主な要因として、以下の点が挙げられます。まず、5G通信の普及に伴う高周波デバイスの需要増加があります。GaAsやGaNを用いたRFデバイスが5G基地局や端末に不可欠となっています。次に、電気自動車の普及によるパワー半導体の需要拡大があります。SiCやGaNを用いたパワーデバイスが、EVの高効率化や航続距離の延長に貢献しています。さらに、データセンターの大規模化に伴う高速光通信デバイスの需要増加も重要な要因です。InPを用いた光デバイスが、データセンター間の高速通信を支えています。これらの需要増加により、化合物半導体ウエハ市場は今後も持続的な成長が見込まれています。

化合物半導体ウエハの種類

1. ガリウムヒ素（GaAs）ウエハ

ガリウムヒ素（GaAs）ウエハは、高周波デバイスや光デバイスの製造に広く使用されています。GaAsは電子の移動度が高く、シリコンよりも高速動作が可能です。主な用途として、スマートフォンのRFフロントエンドモジュール、衛星通信用アンプ、レーザーダイオードなどがあります。GaAsウエハは、主に2インチから6インチサイズで製造されており、最近では8インチウエハの開発も進んでいます。GaAsウエハの世界市場は、2023年から2029年にかけて年平均成長率（CAGR）5.8%で成長すると予測されています。

2. 窒化ガリウム（GaN）ウエハ

窒化ガリウム（GaN）ウエハは、高出力・高周波デバイスの製造に適しています。GaNは広いバンドギャップを持ち、高温・高電圧環境下での動作が可能です。主な用途として、5G基地局用高出力アンプ、電気自動車用インバータ、高効率LED、レーザーダイオードなどがあります。GaNウエハには、バルクGaNウエハとGaN-on-Siliconウエハの2種類があります。バルクGaNウエハは高性能だが高コストであるため、主に研究開発用途に使用されています。一方、GaN-on-Siliconウエハは、シリコン基板上にGaN層を成長させたもので、大口径化や低コスト化が可能なため、商用デバイスの製造に広く使用されています。

3. 炭化ケイ素（SiC）ウエハ

炭化ケイ素（SiC）ウエハは、高温・高電圧環境下で動作するパワーデバイスの製造に適しています。SiCは広いバンドギャップと高い熱伝導率を持ち、シリコンよりも高効率なパワーデバイスの製造が可能です。主な用途として、電気自動車用インバータ、太陽光発電用パワーコンディショナー、産業用モーター制御装置などがあります。SiCウエハは、主に4インチから6インチサイズで製造されており、最近では8インチウエハの量産も始まっています。SiCウエハの世界市場は、2023年から2029年にかけてCAGR 30%以上の急成長が予測されており、特に自動車産業からの需要が増加しています。

化合物半導体ウエハの主な用途

1. 高周波・通信デバイス

化合物半導体ウエハは、高周波・通信デバイスの製造に広く使用されています。特にGaAsとGaNウエハが重要な役割を果たしています。GaAsは、スマートフォンのRFフロントエンドモジュールや衛星通信用アンプなどに使用されており、高周波特性と低ノイズ特性に優れています。一方、GaNは5G基地局用高出力アンプなどに使用されており、高出力・高効率動作が可能です。これらの化合物半導体を用いることで、5G通信やミリ波レーダーなどの高周波アプリケーションにおいて、高性能かつ省電力なデバイスの実現が可能となっています。

2. パワーエレクトロニクス

SiCとGaNウエハは、次世代のパワーエレクトロニクスデバイスの製造に不可欠です。SiCは、電気自動車用インバータや太陽光発電用パワーコンディショナーなどに使用されており、高温・高電圧環境下での動作が可能です。GaNは、小型の電源装置やワイヤレス充電器などに使用されており、高速スイッチングと低損失動作が特徴です。これらの化合物半導体を用いることで、従来のシリコンデバイスと比較して、大幅な効率向上と小型化が実現できます。特に電気自動車の分野では、SiCパワーデバイスの採用により、走行距離の延長や充電時間の短縮が可能となっています。

3. 光デバイス・センサー

化合物半導体ウエハは、様々な光デバイスやセンサーの製造にも使用されています。GaAsやInPウエハは、レーザーダイオードや受光素子の製造に適しており、光通信や光ディスク、3Dセンシングなどに応用されています。GaNウエハは、高輝度LEDや紫外LEDの製造に使用されており、照明や殺菌装置などに応用されています。また、InSbやHgCdTeなどの化合物半導体ウエハは、赤外線センサーの製造に使用されており、熱画像カメラや環境モニタリングなどに応用されています。これらの化合物半導体を用いることで、高感度・高速応答の光デバイスやセンサーの実現が可能となり、IoTやAIの発展を支える重要な役割を果たしています。

化合物半導体ウエハの主な製造メーカー

1. 日本の主要メーカー

日本には化合物半導体ウエハの製造で世界をリードする企業が複数存在します。住友電気工業は、GaAsやInPウエハの世界トップメーカーとして知られており、高品質な製品を提供しています。信越化学工業もGaPやGaAsウエハの製造で長年の実績があり、エピタキシャル製品も手がけています。また、DOWAホールディングスやJX金属、住友化学なども化合物半導体ウエハ事業を展開しています。

2. 海外の主要メーカー

海外では、アメリカのWolfspeedがSiCウエハの製造で強みを持っており、8インチSiC基板の量産にも積極的に投資しています。AXTはGaAsやInP基板で優位性を持つ企業として知られています。欧州では、STMicroelectronicsがSiCウエハメーカーを買収し、材料からの一貫生産体制を構築しています。台湾のIntelligent Epitaxy TechnologyやLandMark Optoelectronics Corp.も、化合物半導体ウエハ市場で存在感を示しています。

3. 新興メーカーと市場動向

中国では、蘇州納維科技有限公司がGaN基板の製造を行っており、アジア市場での存在感を高めています。また、Best Compound Semiconductor Co., Ltd.のような新興企業も、SiCやGaNウエハの製造サービスを展開し、市場に参入しています。化合物半導体ウエハ市場は急速に成長しており、2023年から2029年にかけて年平均成長率17%で拡大し、2029年には33億ドル規模に達すると予測されています。この成長に伴い、各メーカーは生産能力の拡大や新技術の開発に積極的に投資しており、市場競争が激化しています。

3. 新興メーカーと市場動向

化合物半導体ウエハ市場は急速に成長しており、新興メーカーの参入も活発化しています。中国では、蘇州納維科技有限公司がGaN基板の製造を行っており、アジア市場での存在感を高めています。また、Best Compound Semiconductor Co., Ltd.のような新興企業も、SiCやGaNウエハの製造サービスを展開し、市場に参入しています。

市場規模については、2023年から2029年にかけて年平均成長率17%で拡大し、2029年には33億ドル規模に達すると予測されています。この成長に伴い、各メーカーは生産能力の拡大や新技術の開発に積極的に投資しており、市場競争が激化しています。

特に注目すべき点として、以下の動向が挙げられます：

  1. 大口径化の進展：SiCやGaN-on-Siliconでは200mmウエハーへの移行が進んでおり、自動車や消費者市場におけるパワーエレクトロニクスの成長がこの動きを後押ししています。
  2. 新興基板材料の開発：Ga2O3、ダイアモンド、バルクGaN、GaSb、InSbなど、さまざまな新興半導体基板が開発されています。2028年までに、これら新興基板市場は2億6,450万ドルに成長すると予測されています。
  3. 地域別の成長：アジア太平洋地域が最大の市場シェアを占めており、2023年から2031年にかけてCAGR 12.2%で成長すると予測されています。特に中国市場の拡大が著しく、政府の半導体産業育成策により、国内での化合物半導体ウエハの生産能力が急速に向上しています。
  4. 用途別の成長：2029年までにパワー向け市場が最も大きな割合を占めると予想されており、CAGR 21%で成長し、25億1900万ドル規模となる見込みです。

これらの動向を踏まえ、化合物半導体ウエハ市場は今後も持続的な成長が見込まれており、新興メーカーを含む多くの企業が積極的に投資を行っています。市場競争の激化に伴い、技術革新や生産効率の向上がさらに加速することが予想されます。

参考サイト

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