サムスンのGaNファウンドリに信頼性の壁、熱試験不合格で商用化は2027年半ば以降か
2026年8月2日 16:16
韓国の半導体大手サムスン電子（Samsung Electronics）のGaN（窒化ガリウム）パワー半導体ファウンドリ事業が、試作段階の高温信頼性試験で不具合に見舞われたと報じられている。The Elecの報道によれば、この問題により商用生産の開始は早くとも2027年半ばにずれ込む可能性がある。競合他社がすでに商用出荷を進めるなか、同社は製造プロセスの安定化という大きな課題に直面している。
■5月のオン抵抗問題とは異なる不具合
Samsung Electronicsによる窒化ガリウム（GaN）パワー半導体ファウンドリ市場への参入に向けた取り組みが、2度目の技術的な壁に直面している。The Elecの7月31日の報道によると、器興（キフン）の8インチGaN専用ラインで製造された試作チップが、摂氏100〜200度の温度下で1,000時間稼働した後に機能を停止したとされている。これは、GaNデバイスが高い信頼性を発揮するとされる温度範囲そのものだ。この事態により、商用生産の開始は早くとも2027年半ばにずれ込む可能性がある。一方、Infineon、Texas Instruments、中国のInnoscienceは、すでに1〜2年前からGaNパワーチップを商用出荷している。
2カ月前、TechTimesは、Samsungが自社のGaNディスクリートデバイスで受注を獲得できず、見込み顧客が求めるオン抵抗の目標を満たせなかったと報じた。これは性能上の問題、つまりチップ自体は動作するものの、十分な性能には達していないという問題だった。しかし、7月31日に報じられた不具合は性質が明確に異なる。通常条件下では動作するが、持続的な熱的・電気的ストレスを加える認定試験に合格できなかったというものだ。
どちらの問題も、化合物半導体製造におけるSamsungのプロセス成熟度という共通の根本的課題に起因するが、現れ方が異なり、必要な対策も異なる。オン抵抗の目標未達は主にデバイス設計の問題である。一方、The Elecの7月31日の報道で説明されているHTOL（高温動作寿命）試験の不合格は、ウェハー製造品質の問題を強く示している。
■熱試験でチップが機能停止する理由：エピタキシャル成長の課題
GaNパワートランジスタは、エピタキシャルウェハー上に形成される。これは、シリコン基板上に、有機金属化学気相成長法（MOCVD）と呼ばれるプロセスを用いて、高温の化学反応炉内で結晶性の窒化ガリウム層を成長させたものだ。このGaN層の品質が、完成したデバイスの性能と寿命のほぼすべてを左右する。
エピタキシャルGaN層の結晶構造に、貫通転位、キャリアトラップ、局所的な非化学量論領域などの欠陥が含まれていても、室温や中程度の動作条件では、その影響が表面化しないことがある。しかし、持続的な高電圧・高温環境では影響が増幅される。電荷キャリアが、GaN層とその上にある窒化アルミニウムガリウムの障壁層との界面に形成される二次元電子ガス（2DEG）領域で捕捉され、技術者が「電流コラプス」と呼ぶ現象を引き起こす。摂氏100度を超える環境で数百時間稼働させると、トラップに起因する劣化が蓄積し、トランジスタの特性が仕様範囲を外れ、最終的に動作しなくなる。GaN高電子移動度トランジスタにおけるゲート金属欠陥のスクリーニングに関する研究では、ウェハーレベルでのスクリーニングにより、パッケージング前にこうした信頼性不良を大幅に減らせることが示されている。
業界関係者がThe Elecに語ったところによると、Samsungは、パワー半導体デバイスのしきい値電圧を目標とする2〜3ボルトに合わせることに、MOCVDプロセスの最適化を集中させていた可能性があるという。GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）において、しきい値電圧はトランジスタがオンになる電圧を決める。これを低く設定しすぎると、仕様上の性能を満たしていても、ゲート領域の寄生リーク電流の影響を受けやすくなる可能性がある。The Elecの7月31日の報道によれば、持続的な熱ストレス下では、こうした電流が窒化シリコン製ゲート絶縁膜の劣化を加速させ、しきい値電圧の変動を招き、最終的にデバイスの故障につながるという。
Samsungは、器興に約1,000億〜2,000億ウォン（約7,000万〜1億3,900万ドル、約111億3,000万円〜221億円、1ドル＝159円換算）を投じて導入したMOCVD装置を使い、エピタキシャルウェハーを内製している。内製化によりウェハーの供給と利益率を自社で管理できる一方、確立された外部サプライヤーのプロセスレシピを基準に、自社プロセスを比較評価することが難しくなる。Infineon、Texas Instruments、Innoscienceが長年の生産を通じて蓄積してきた、耐久性が高く欠陥を抑えたエピタキシャル層を形成するためのMOCVDプロセスに関する知見を、Samsungは一から構築しなければならない。
■業界の基準となる1,000時間テスト
Samsungのチップが不合格となった認定試験は、特殊なものではない。HTOLテストは、デバイスを高温・高電圧下で1,000時間連続動作させる試験であり、そのデバイスが商用展開に適しているかを判断するために半導体業界で使われる基本的な信頼性評価である。この段階で不合格となったチップは、電気自動車の車載充電器、データセンターの電力変換ユニット、産業用モータードライブ、無停電電源装置など、長期的な信頼性が求められる用途には出荷できない。
これが重要なのは、まさにそうした用途がGaNの主要な販売先だからだ。GaNの商業的な存在意義は、最大1,200ボルトの電圧や摂氏200度を超える環境でも高い信頼性で動作できる点にある。これらは、従来のシリコンパワートランジスタでは効率が低下したり、故障したりする条件だ。1,000時間のHTOL試験をクリアできないGaNチップは、単に性能が低いGaNチップなのではない。GaNを採用する根本的な意義を損なうチップである。
■2度目のスケジュール遅延
SamsungがLED事業を再編し、2023年に設立した化合物半導体ソリューション（CSS）部門は、当初、2025年のGaNファウンドリサービス商用開始を目標としていた。パワー半導体市場が予想を下回ったため、この目標は2026年末に延期された。The Elecが引用した業界関係者は、今回の信頼性問題によってさらに数カ月の遅れが生じ、本格的な商用稼働は早くとも2027年半ばになる可能性があるとみている。
器興で試作中のラインは、月産約1,300〜1,500枚のウェハーを処理しているが、急速に拡大する市場に対しては控えめな生産能力である。GaNパワーデバイス市場は2026年に約9億2,000万ドル（約1,462億8,000万円）へ達し、2025年比で約58％成長すると予測されている。AIデータセンター、電気自動車、小型急速充電器が高効率な電力変換への需要を押し上げることから、2030年までの年平均成長率は44％と予測されている。2030年には、市場規模が約30億ドル（約4,770億円）に近づく見通しだ。
遅延が1カ月延びるごとに、Samsungはその市場成長を取り込む機会を失うことになる。
■顧客はすでに他のファウンドリを検討中
The Elecの報道によると、Samsungがプロセス上の問題を解決する間、複数のファブレス半導体企業が、代替となるGaNファウンドリパートナーとしてGlobalFoundries、Powerchip Semiconductor Manufacturing Corporation（PSMC）、X-FABを評価しているという。The Elecによれば、3社はいずれもGaNファウンドリ事業を進めている。
GlobalFoundriesは、次世代650ボルトGaNパワーデバイスの開発に向けて2025年12月にonsemiと提携するなど、大規模なGaNファウンドリ能力を構築している。現在、生産能力ベースで世界最大のGaNオンシリコン専業メーカーであるInnoscienceは、産業、自動車、AIデータセンター市場での量産展開を目指し、2025年12月にonsemiと締結した覚書を通じて、戦略的な地位をさらに強化している。
化合物半導体ファウンドリ市場には、顧客が代替先を検討するコストを引き下げる構造的な特徴がある。ウェハー上に回路パターンを形成するための原版であるGaNフォトマスクセットは、シリコン向けの同等品よりもはるかに安価だ。先端シリコンロジックの場合、フルマスクセットには数千万ドルかかることがあり、顧客は開発途中でファウンドリを切り替えることに消極的になる。The Elecの報道によれば、GaN向けのコストはその一部にとどまるため、複数のファウンドリを並行して認定することが、財務的に非現実的な選択ではなく、実行可能なサプライチェーン戦略になる。
つまり、Samsungの見込み顧客が必ずしも完全に離れていくわけではない。しかし、代替先のサンプルを評価することで時間を確保しており、競合ファウンドリの認定に費やす期間が長くなるほど、Samsungが最終的に切り崩さなければならない顧客関係は強固になっていく。
■競合他社とのプロセス学習の差
Samsungが2度目の後退に直面した時点で、Infineon、STMicroelectronics、Texas Instruments、Innoscienceは、いずれもすでに1〜2年にわたりGaNパワーデバイスを商用出荷している。The Elecに引用された匿名のSamsung GaNファウンドリ顧客は、Samsungが競合他社より遅れて市場へ参入したのは、「同社がメモリ半導体などの主要事業を優先したため」だと語った。The Elecによれば、その優先順位が現在、プロセスに関する学習の遅れとして表面化しているという。
Infineonの競争上の地位はさらに前進している。同社は2025年7月、300ミリ（11.8インチ）ウェハーを使ったGaN製造が計画通りに進んでいると発表し、2025年第4四半期には顧客へサンプルを納入した。200ミリ（7.9インチ）から300ミリウェハーへの移行により、1枚のウェハーから得られるチップ数は2.3倍となり、チップ当たりのコストで優位性が生まれる。Infineonが2026年から2027年にかけて量産を拡大するにつれ、Samsungを含むすべての8インチGaNプログラムがコスト面で圧力を受けることになる。
韓国国内でも、Samsungは競争に直面している。DB HiTekはGaNファウンドリの開発を進め、2026年初頭には顧客評価用サンプルを納入した。ただし、その後、同社は本格的な量産を2027年に開始する予定であることを示している。SK keyFoundryもGaNファウンドリ分野への参入を進めているが、量産はさらに先になる見込みだ。
■Samsungが修正できる問題と、時間を要する課題
The Elecによれば、Samsung Electronicsの担当者は今回の事象について、「量産前の試行錯誤に伴う問題へ対処するプロセスの一部だ。今回の結果が欠陥に当たるかどうかを判断するのは時期尚早である」と慎重に説明した。
この説明は技術的には成り立つ。試作段階でHTOL試験に不合格となることは、化合物半導体製造では珍しくない。MOCVDプロセスの開発は反復的であり、テスト、分析、レシピ調整のサイクルを重ねるたびに、欠陥の原因を絞り込んでいく。Samsungは器興に必要な設備を持ち、ファウンドリの見込み顧客もまだ完全には離れていない。マスクコストが低いため、顧客は競合他社のサンプルを評価しながら、Samsungを認定候補として残すことができる。
より厳しい制約となるのは、資金よりも時間だ。MOCVDプロセスの最適化は実験的な積み重ねを必要とする。エンジニアはウェハーロットを処理し、故障モードを分析し、成長パラメータである温度プロファイル、ガス流量比、堆積速度、反応炉内の圧力を調整して、再び試験する。各サイクルには数週間かかる。既知の信頼性問題を抱える試作段階から、顧客のHTOL試験を商用レベルの歩留まりでクリアする、安定した認定済みプロセスへ移行するには、すべてが順調に進んでも数カ月にわたる技術開発が必要になる。The Elecの情報源が指摘したしきい値電圧の最適化が実際に主要な変数であり、さらに別のプロセスパラメータも調整する必要があるなら、問題解決までの期間は本質的に不確実だ。
SamsungがGaN市場で戦略的な地位を回復する余地は、まだ残されている。同社にはインフラとCSSチームがあり、TSMCの撤退によって構造的な空きが生じた市場もある。しかし、十分な顧客関係を構築できる段階でGaNファウンドリ市場へ参入するための機会は、遅延が四半期単位で続くたびに狭まっている。
■注目ポイントQ&A
●SamsungのGaNファウンドリチップは、初期評価では機能していたのに、なぜ今になって信頼性テストで不合格になっているのですか？
報告された不具合、つまり高温下で1,000時間経過後にチップが動作を停止する現象は、通常条件下では潜在しているものの、持続的な熱的・電気的ストレス下で影響が増幅されるエピタキシャルGaN層の欠陥と整合します。初期の設計検証テストは、室温または中程度の条件でチップが仕様通りに機能するかを確認するものであり、この種の欠陥を検出できない場合があります。HTOLテストは、こうした潜在的な故障メカニズムを意図的に加速させます。Samsungの課題は、GaNエピタキシャル層を成長させるMOCVDプロセスのレシピ、具体的には、スイッチング性能に必要な目標しきい値電圧の達成と、デバイスの長期的な安定性に必要な結晶品質の維持とのトレードオフにあるとみられています。
●MOCVDとは何ですか？なぜそれがGaNチップの信頼性を決定するのですか？
有機金属化学気相成長法（MOCVD）は、シリコンウェハー基板上に窒化ガリウムの結晶層を成長させる標準的な技術です。反応炉内で原料となるガスが高温で分解され、結晶性のGaN膜として堆積します。温度の均一性、ガス流量、堆積速度などの成長条件が精密に最適化されていない場合、形成された結晶に、デバイスの動作中に電荷キャリアを捕捉する欠陥が含まれることがあります。こうしたトラップの影響は高温・高電圧下で蓄積し、デバイス特性を徐々に変動させ、最終的に故障を引き起こします。MOCVDプロセスの成熟には、時間をかけた反復的なレシピ開発が必要です。このため、長年の生産経験を持つ既存のGaNメーカーは、Samsungのような新規参入企業に対して構造的な優位性を持っています。
●顧客はSamsungの代替としてどのGaNファウンドリを評価していますか？
The Elecの7月31日の報道によると、ファブレス企業は、代替のGaNファウンドリパートナーとしてGlobalFoundries、Powerchip Semiconductor Manufacturing Corporation（PSMC）、X-FABを評価しています。GlobalFoundriesは、650ボルトデバイスの開発に向けて2025年12月にonsemiと提携するなど、GaN事業を進めています。現在、生産能力ベースで世界最大のGaNオンシリコン専業メーカーであるInnoscienceも、8インチウェハーによる量産能力を持ち、onsemiと協業しています。GaNフォトマスクセットは比較的安価であるため、複数のファウンドリを並行して評価することが現実的です。顧客は、単一のパートナーに事実上固定されるほど高額なツーリングコストを負わずに、複数のファウンドリのサンプルを試すことができます。
●Samsungが商用GaNファウンドリ生産を現実的に開始するのはいつになりますか？
7月31日にThe Elecが引用した業界関係者によると、今回の信頼性問題によって、すでに延期されていた2026年末の目標からさらに「数カ月」遅れ、本格的な商用生産は早くとも2027年半ばになる可能性があります。Samsungの担当者は現在の状況を「量産前の試行錯誤に伴う問題へ対処するプロセスの一部」と説明しており、新たなスケジュールは明言していません。遅延の長さは、MOCVDによるエピタキシャル成長プロセスをどれだけ早く安定させられるかに左右されます。ただし、このプロセスは本質的に反復的であり、容易に短縮できるものではありません。
元記事: Samsung GaN Foundry Chips Flunk Heat Test While Rivals Already Ship at Scale