半導体単結晶の生産方法：Si、SiC、GaAsの成長技術を徹底解説

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半導体単結晶の概要
主要な半導体材料と成長方法
まとめ：SiCとGaNの技術的課題と進展
次回: 半導体材料の主要プレイヤーについて解説

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本記事では、半導体単結晶の成長方法について、半導体前工程のエンジニアとして働く筆者が解説しています。SiやSiC、GaAsなど半導体材料ごとに実際に使われている生産方法をその特徴とともに詳細に説明しています。

前工程の概要についても解説しているので、そちらもぜひご一度ください！

対象読者

半導体の生産方法に興味を持っている方

半導体単結晶の概要

半導体単結晶とは、原子が規則的に並んだ、大きな塊のことを指します。成分はシリコンならSiだけで構成された、純粋な物質です。極微量の不純物を加えて、目的の特性を与えたりもします。

例えば、純粋にSiだけで構成された大きな塊だったとしても、様々な配列で原子が並んでいるものの組み合わせ出できていれば、多結晶体(ポリ)と呼びます。完全な不規則配列のものは、アモルファスと呼びます。

単結晶の製造では、主に以下の要素が求められています。

大径化
長尺化
不良の原因となる結晶欠陥や不純物の低減

1~3の追求によって、半導体チップの生産性改善やコストダウン、品質の向上を目指しています。

主要な半導体材料と成長方法

チョクラルスキー法: Si、GaP、InP、GaAs

チョクラルスキー法は最も広く使われている半導体結晶の生産方法と言えるでしょう。Siを筆頭に、GaP、InPそしてGaAsなど主要な半導体結晶はチョクラルスキー法を使って生産されています。

チョクラルスキー法は、溶融させた原料に種結晶を浸漬させ、徐々に引き上げることで単結晶を得る手法です。

チョクラルスキー法の図解。溶融したB₂0₃を封止材にする場合は、特別にLEC法と呼ぶ。

Siは通常のチョクラルスキー法を使っていますが、GaAsやGaP、InPは原料のAsやPが揮発しやすいため、原料の揮発を抑えるための蓋(封止材)として、溶融材料上に液化したB₂0₃(三酸化ホウ素)を張ります。この場合は、LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)法と呼びます。

溶融した原料は1200〜1400 ℃程度まで加熱されることから、石英のるつぼに入れます。

https://www.ieice-hbkb.org/files/10/10gun_02hen_02.pdf

VGF法: GaAs

GaAsはLEC法のほか、VGF(Vertical Gradient Freeze)法でも生産されています。VGF法では、種結晶をるつぼの下側に配置し、種結晶の上に原料の多結晶GaAsを配置します。種結晶に近い側から加熱をし、原料を溶融させ、徐々に上に向かって加熱部分を移動させることで、溶融後に冷えた原料が単結晶化されます。