半導体製造における主要原材料：ウェーハ基板の種類

半導体デバイスの主要材料としてのウェーハ基板

ウェーハ基板は半導体デバイスの物理的なキャリアであり、その材料特性はデバイスの性能、コスト、そして応用分野を直接的に決定します。以下はウェーハ基板の主な種類と、それぞれの長所と短所です。

1.シリコン（Si）

• 市場占有率：世界の半導体市場の95%以上を占めています。

• 利点:

  • 低コスト：豊富な原材料（二酸化ケイ素）、成熟した製造プロセス、強力な規模の経済。

  • 高いプロセス互換性:CMOS テクノロジーは高度に成熟しており、高度なノード (例: 3nm) をサポートしています。

  • 優れたクリスタル品質：欠陥密度の低い大口径ウェハ（主に12インチ、開発中は18インチ）の成長が可能です。

  • 安定した機械的特性:切断、研磨、取り扱いが簡単です。

• デメリット:

  • 狭いバンドギャップ（1.12 eV）：高温時に漏れ電流が高くなり、パワーデバイスの効率が制限されます。

  • 間接バンドギャップ:発光効率が非常に低いため、LED やレーザーなどの光電子デバイスには適していません。

  • 電子移動度の制限：複合半導体に比べて高周波性能が劣ります。
    

2.ガリウムヒ素（GaAs）

• 用途:高周波RFデバイス（5G/6G）、光電子デバイス（レーザー、太陽電池）。

• 利点:

  • 高い電子移動度（シリコンの5～6倍）：ミリ波通信などの高速、高周波アプリケーションに適しています。

  • 直接バンドギャップ（1.42 eV）：赤外線レーザーやLEDの基礎となる高効率光電変換。

  • 高温および放射線耐性：航空宇宙および過酷な環境に適しています。

• デメリット:

  • 高コスト：材料が希少、結晶成長が困難（転位を起こしやすい）、ウエハサイズが限られる（主に 6 インチ）。

  • 脆性力学:破損しやすく、加工歩留まりが低くなります。

  • 毒性：ヒ素は厳密な取り扱いと環境管理が必要です。

3. 炭化ケイ素（SiC）

• 用途:高温・高電圧電力機器（EVインバーター、充電ステーション）、航空宇宙。

• 利点:

  • 広いバンドギャップ（3.26 eV）：高い破壊強度（シリコンの 10 倍）、高温耐性（動作温度 > 200 °C）。

  • 高い熱伝導率（シリコンの約3倍）：優れた放熱性により、システムの電力密度が向上します。

  • 低スイッチング損失：電力変換効率を向上します。

• デメリット:

  • 困難な基質準備：結晶成長が遅い（1 週間以上）、欠陥制御が難しい（マイクロパイプ、転位）、コストが非常に高い（シリコンの 5～10 倍）。

  • 小型ウエハーサイズ：主に4～6インチ。8インチはまだ開発中です。

  • 処理が難しい:非常に硬い（モース硬度 9.5）ため、切断や研磨に時間がかかります。

4. 窒化ガリウム（GaN）

• 用途:高周波電源デバイス（急速充電、5G基地局）、青色LED/レーザー。

• 利点:

  • 超高電子移動度 + 広いバンドギャップ (3.4 eV):高周波 (>100 GHz) と高電圧の性能を兼ね備えています。

  • 低オン抵抗：デバイスの電力損失を削減します。

  • ヘテロエピタキシー対応:一般的にシリコン、サファイア、または SiC 基板上に成長し、コストを削減します。

• デメリット:

  • バルク単結晶の成長は困難：ヘテロエピタキシーが主流ですが、格子不整合により欠陥が発生します。

  • 高コスト：ネイティブ GaN 基板は非常に高価です (2 インチ ウェーハの価格は数千ドルになる場合があります)。

  • 信頼性の課題:電流崩壊などの現象には最適化が必要です。

5. リン化インジウム（InP）

• 用途:高速光通信（レーザー、光検出器）、テラヘルツデバイス。

• 利点:

  • 超高電子移動度：100 GHz を超える動作をサポートし、GaAs を上回ります。

  • 波長整合による直接バンドギャップ：1.3～1.55μm光ファイバー通信用コア材料。

• デメリット:

  • 脆くて非常に高価:基板コストがシリコンの 100 倍を超え、ウェハ サイズが制限されます (4 ～ 6 インチ)。

6. サファイア（Al₂O₃）

• 用途:LED照明（GaNエピタキシャル基板）、民生用電子機器カバーガラス。

• 利点:

  • 低コスト：SiC/GaN基板よりもはるかに安価です。

  • 優れた化学的安定性：耐腐食性、絶縁性に優れています。

  • 透明性:垂直LED構造に適しています。

• デメリット:

  • GaNとの大きな格子不整合（> 13%）:高い欠陥密度が発生するため、バッファ層が必要になります。

  • 熱伝導率が低い（シリコンの約1/20）高出力 LED のパフォーマンスを制限します。

7. セラミック基板（AlN、BeOなど）

• 用途:高出力モジュール用のヒートスプレッダー。

• 利点:

  • 絶縁性＋高熱伝導率（AlN：170～230 W/m·K）：高密度実装に適しています。

• デメリット:

  • 非単結晶:デバイスの成長を直接サポートすることはできず、パッケージング基板としてのみ使用されます。

8. 特殊基板

• SOI（シリコンオンインシュレーター）：

  • 構造：シリコン/SiO₂/シリコンサンドイッチ。

  • 利点:寄生容量の低減、耐放射線性、漏れ抑制（RF、MEMS で使用）。

  • デメリット:バルクシリコンよりも30～50％高価です。

• 石英（SiO₂）:フォトマスクや MEMS に使用されます。耐高温性がありますが非常に脆いです。

• ダイヤモンド：最高の熱伝導率を持つ基板（>2000 W/m·K）、極限の熱放散のために研究開発中。

比較概要表

基質選択の重要な要素

• パフォーマンス要件:高周波用には GaAs/InP、高電圧、高温用には SiC、オプトエレクトロニクス用には GaAs/InP/GaN。

• コスト制約:民生用電子機器ではシリコンが好まれ、ハイエンド分野では SiC/GaN プレミアムが正当化されます。

• 統合の複雑さ:CMOS 互換性にとって、シリコンは依然として不可欠なものです。

• 熱管理:高出力アプリケーションでは、SiC またはダイヤモンドベースの GaN が適しています。

• サプライチェーンの成熟度:Si > サファイア > GaAs > SiC > GaN > InP。

今後の動向

異種統合（GaN-on-Si、GaN-on-SiC など）により、パフォーマンスとコストのバランスが取れ、5G、電気自動車、量子コンピューティングの進歩が促進されます。