第一世代の半導体材料は、集積回路製造の基盤となる従来のシリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）で代表されます。これらは、低電圧、低周波、低電力のトランジスタや検出器に広く使用されています。半導体製品の90%以上はシリコン系材料で作られています。
第二世代半導体材料は、ガリウムヒ素（GaAs）、インジウムリン（InP）、ガリウムリン（GaP）によって代表される。シリコン系デバイスと比較して、高周波・高速の光電子特性を有し、光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利用されている。
第三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）などの新興材料によって代表される。
炭化ケイ素炭化ケイ素は、第三世代半導体産業の発展にとって重要な基礎材料です。炭化ケイ素パワーデバイスは、優れた耐電圧性、耐高温性、低損失性などの特性により、パワーエレクトロニクスシステムの高効率化、小型化、軽量化といった要求を効果的に満たすことができます。
優れた物理的特性、すなわち高いバンドギャップ（高い絶縁破壊電界と高い電力密度に対応）、高い電気伝導率、高い熱伝導率を持つことから、将来的に半導体チップ製造における最も広く用いられる基本材料になると期待されています。特に、新エネルギー車、太陽光発電、鉄道輸送、スマートグリッドなどの分野において、その優位性は明らかです。
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、デバイス製造という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つの主要な段階に対応しています。基板, エピタキシーデバイスおよびモジュール。
基板製造の主流方法は、まず高温真空環境下で粉末を昇華させる物理気相昇華法を用い、温度場の制御によって種結晶表面に炭化ケイ素結晶を成長させる。炭化ケイ素ウェハを基板として、化学気相成長法を用いてウェハ上に単結晶層を堆積させ、エピタキシャルウェハを形成する。このうち、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で、主に電気自動車、太陽光発電などの分野で使用されるパワーデバイスを作製できる。また、半絶縁性炭化ケイ素基板上に窒化ガリウムエピタキシャル層を成長させる方法もある。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加工することも可能です。
現状では、炭化ケイ素基板は炭化ケイ素産業チェーンの中で最も高い技術的障壁を抱えており、製造も最も困難である。
SiCの製造上の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の問題があるため、SiCデバイスのコストが高くなっています。シリコン材料が結晶棒に成長するのにかかる平均日数はわずか3日ですが、炭化ケイ素結晶棒の場合は1週間かかります。一般的なシリコン結晶棒は200cmまで成長しますが、炭化ケイ素結晶棒は2cmまでしか成長しません。さらに、SiC自体は硬くて脆い材料であり、SiCで作られたウェーハは、従来の機械式ウェーハダイシングを使用するとエッジが欠けやすく、製品の歩留まりと信頼性に影響します。SiC基板は従来のシリコンインゴットとは大きく異なり、装置、プロセス、加工から切断まで、炭化ケイ素を扱うための開発が必要です。
炭化ケイ素産業チェーンは、主に基板、エピタキシャル成長、デバイス、アプリケーションの4つの主要な段階に分かれています。基板材料は産業チェーンの基盤であり、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、原材料から物理蒸着法などの方法で基板材料を製造し、次に化学蒸着法などの方法でエピタキシャル材料を成長させます。中流産業では、上流の材料を使用して高周波デバイス、パワーデバイスなどのデバイスを製造し、これらは最終的に下流の5G通信、電気自動車、鉄道輸送などに使用されます。中でも、基板とエピタキシャル成長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となっています。
SiC基板：SiC結晶は通常、レリー法を用いて製造されます。国際的な主流製品は4インチから6インチへと移行しており、8インチ導電性基板製品も開発されています。国内の基板は主に4インチです。既存の6インチシリコンウェ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ように改造できるため、6インチSiC基板の高い市場シェアは今後も長期間維持されるでしょう。
炭化ケイ素基板の製造プロセスは複雑で困難です。炭化ケイ素基板は、炭素とケイ素の2つの元素からな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ケイ素粉末を原料として炭化ケイ素粉末を合成しています。特殊な温度環境下で、成熟した物理蒸着法（PVT法）を用いて結晶成長炉内で様々なサイズの炭化ケイ素を成長させます。最終的に、結晶インゴットは切断、研削、研磨、洗浄などの複数の工程を経て、炭化ケイ素基板として製造されます。
投稿日時：2024年5月22日