化合物半導体ウェーハ(GaN on Siウェーハ)

はじめに

省エネや情報通信高度化の要求が高まっています。 この要求に対応する次世代半導体として、窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ化合物半導体ウェーハの開発を進めています。

開発内容

GaNは、ワイドバンドギャップを有することから、青色などの光デバイス用途に多く用いられています。一方、電気的特性においても従来のヒ化ガリウム(GaAs)やシリコン(Si)などの材料に比べて1桁高い絶縁破壊電界を有し、加えてヘテロ接合を形成することにより高電子移動度が期待されることから、近年、高周波およびパワーデバイスへの応用検討が活発化しています。
これらのGaNデバイスは、現在、炭化ケイ素(SiC)やサファイアなどの異なる基板上にGaNの単結晶膜(ヘテロエピタキシャル膜)を堆積成長させて製造されています。しかしSiCやサファイアなどの基板は、面積が小さくかつ高価なため、GaNデバイスの市場創出拡大の足かせとなっています。
当社では、大面積かつ安価なSi基板上にGaN膜をヘテロエピタキシャル成長させたGaN単結晶基板(GaN on Siウェーハ)を開発しています。

コンセプト: Si基板上に中間層を設けてGaN結晶成長させ(図1)、サイズ(口径)と経済性をかねそなえた次世代デバイス基板を得ることです。
対象製品: 電子デバイス向けGaN基板として、数百V級中耐圧デバイスの家電のスイッチング素子やインバーター、中耐圧+高周波特性を活かした携帯基地局用への利用を狙っています。
メリット: 現在GaN単結晶成長用基板として主流となっているサファイアやSiC基板と比較して安価に大口径のGaN基板を提供可能とします。加えて、既存Siプロセスラインの活用も可能です。

図1. GaN on Si基板イメージ
図1. GaN on Siウェーハイメージ

図2. 表面モフォロジー(AFM)
図2. 表面モフォロジー(AFM)

図3. 欠陥密度
図3. 欠陥密度

社外発表

“Epitaxial growth 3C-SiC on Si(100) substrate using a BP buffer layer” Yoshihisa Abe, Jun Komiyama, Syunichi Suzuki, Hideo Nakanishi:The 20th General Conference of the Condensed Matter Division European Physical Society, Prague, Czech, Jul. (2004)

“Schottky diode characteristics of 3C-SiC grown on a Si substrate by vapor phase epitaxy” J. Komiyama, Y. Abe, S. Suzuki, T. Kita and H. Nakanishi:Fourteenth International Conference on Crystal Growth, ICCG14, Grenoble

“Preparation of cubic silicon carbide with smooth surface on carbonized porous silicon” J. Komiyama, Y. Abe, S. Suzuki, and H. Nakanishi:Fall Meeting of The Electrochemical Society (2004), USA

“Polarity of GaN films and 3C-SiC intermediate layers grown on Si substrates by MOVPE” J. Komiyama, Y. Abe, S. Suzuki, and H. Nakanishi:13th International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, ICMOVPE-XIII, Miyazaki

用語解説

  • ワイドバンドギャップ(わいどばんどぎゃっぷ)

    バンドギャップは、結晶のバンド構造において電子が存在できない領域のエネルギー幅を表し、その値が大きいものを示します(Siより大きいものがワイドバンドギャップ半導体と呼ばれます)。バンドギャップの大きい物質は、光透過性が良い(透明に近い)、絶縁破壊電界が高いなどの特性を持ちます。

  • ヘテロ接合(へてろせつごう)

    異なる組成の半導体を接合することです。一般に混晶を持つ化合物は良好なヘテロ接合界面を作製しやすく、そのヘテロ接合により界面に高電子移動度を持つ二次元電子ガス層が誘起されます。

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