第一世代の半導体材料は、集積回路製造の基礎となる従来のシリコン (Si) とゲルマニウム (Ge) に代表されます。これらは、低電圧、低周波数、低電力のトランジスタおよび検出器で広く使用されています。半導体製品の 90% 以上はシリコンベースの材料で作られています。
第 2 世代の半導体材料は、ガリウムヒ素 (GaAs)、リン化インジウム (InP)、リン化ガリウム (GaP) に代表されます。シリコンベースのデバイスと比較して、高周波および高速のオプトエレクトロニクス特性を備えており、オプトエレクトロニクスおよびマイクロエレクトロニクスの分野で広く使用されています。 ;
第 3 世代の半導体材料は、炭化ケイ素 (SiC)、窒化ガリウム (GaN)、酸化亜鉛 (ZnO)、ダイヤモンド (C)、窒化アルミニウム (AlN) などの新興材料に代表されます。
炭化ケイ素は第3世代半導体産業の発展にとって重要な基礎素材です。炭化ケイ素パワーデバイスは、優れた耐高電圧性、高温耐性、低損失などの特性により、パワーエレクトロニクスシステムの高効率化、小型化、軽量化の要求に効果的に応えることができます。
高バンドギャップ（高耐電界、高電力密度に対応）、高電気伝導率、高熱伝導率といった優れた物性を有するため、将来的には半導体チップの基礎材料として最も広く使用されることが期待されています。 。特に新エネルギー自動車、太陽光発電、鉄道交通、スマートグリッドなどの分野では明らかな利点があります。
SiC の製造プロセスは、SiC 単結晶成長、エピタキシャル層成長、デバイス製造の 3 つの主要なステップに分かれており、これらは産業チェーンの 4 つの主要なリンクに対応します。基板, エピタキシー、デバイスとモジュール。
基板の製造方法の主流は、まず物理蒸気昇華法を用いて高温の真空環境で粉末を昇華させ、温度場の制御により種結晶の表面に炭化珪素の結晶を成長させます。基板として炭化ケイ素ウェーハを使用し、化学蒸着法を使用してウェーハ上に単結晶の層を堆積し、エピタキシャルウェーハを形成します。その中で、導電性炭化ケイ素基板上に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させることにより、主に電気自動車、太陽光発電、その他の分野で使用されるパワーデバイスを作製することができる。半絶縁基板上に窒化ガリウムエピタキシャル層を成長させる炭化ケイ素基板さらに、5G通信やその他の分野で使用される無線周波数デバイスにすることもできます。
現在のところ、炭化珪素基板は炭化珪素産業チェーンにおいて最も高い技術的障壁があり、炭化珪素基板の製造は最も困難である。
SiCの製造ボトルネックは完全には解決されておらず、原料となる結晶柱の品質が不安定で歩留まりに問題があり、SiCデバイスの高コスト化につながっている。シリコン素材が結晶ロッドに成長するまでには平均 3 日しかかかりませんが、炭化ケイ素の結晶ロッドの場合は 1 週間かかります。一般的なシリコンの結晶棒は200cmまで成長しますが、炭化ケイ素の結晶棒は2cmまでしか成長できません。さらに、SiC 自体は硬くて脆い材料であるため、SiC で作られたウェーハは、従来の機械的なウェーハダイシングを使用するとエッジが欠ける傾向があり、製品の歩留まりと信頼性に影響を与えます。 SiC基板は従来のシリコンインゴットとは大きく異なり、炭化ケイ素を扱うためには装置、プロセス、加工、切断に至るすべてを開発する必要があります。
炭化ケイ素産業チェーンは主に、基板、エピタキシー、デバイス、アプリケーションの 4 つの主要なリンクに分かれています。基板材料は産業チェーンの基礎であり、エピタキシャル材料はデバイス製造の鍵であり、デバイスは産業チェーンの中核であり、アプリケーションは産業発展の原動力です。上流産業では、原材料を使用して物理的蒸気昇華法などの方法で基板材料を作成し、その後、化学気相成長法などの方法を使用してエピタキシャル材料を成長させます。中流産業は、上流の材料を使用して無線周波数デバイス、パワーデバイス、その他のデバイスを製造し、最終的には下流の 5G 通信で使用されます。中でも、基板とエピタキシーは産業チェーンのコストの 60% を占め、産業チェーンの主要な価値です。
SiC 基板: SiC 結晶は通常、レーリー法を使用して製造されます。国際的な主流製品は4インチから6インチへ移行しており、8インチの導電性基板製品も開発されています。国産基板は4インチが主流です。既存の 6 インチシリコンウェーハ生産ラインをアップグレードして SiC デバイスを生産できるため、6 インチ SiC 基板の高い市場シェアは長期間維持されるでしょう。
炭化ケイ素基板のプロセスは複雑で、製造が困難です。炭化ケイ素基板は、炭素とケイ素の 2 つの元素から構成される化合物半導体単結晶材料です。現在、業界では主に高純度炭素粉末と高純度シリコン粉末を原料として炭化ケイ素粉末を合成しています。特殊な温度場の下で、成熟した物理的蒸気透過法 (PVT 法) を使用して、結晶成長炉内でさまざまなサイズの炭化ケイ素を成長させます。結晶インゴットは最終的に加工、切断、研削、研磨、洗浄等の複数の工程を経て、炭化珪素基板が製造される。
投稿日時: 2024 年 5 月 22 日