エピタキシャル成長
エピタキシャル成長は、半導体デバイス製造や化合物半導体の作製において、基板上に高品質な結晶膜を形成するための重要な技術である。シリコンやガリウムヒ素など、目的とする材料を選択し、基板結晶と格子整合性を保ちながら新たな層を構築することで、デバイス性能や信頼性の向上を図ることが可能となる。化学気相成長(CVD)や分子線エピタキシー(MBE)など多様な手法が存在し、微細構造の制御やターゲット膜の高純度化を実現するために高度な装置とプロセス条件の管理が求められる。このような結晶成長技術は、高周波デバイスや光デバイスをはじめ、あらゆる先端電子部品に不可欠であり、微細化や高機能化に対応する半導体業界の根幹を支えるプロセスとされている。
エピタキシャル成長の概要
結晶成長技術の一種であるエピタキシャル成長は、基板表面に原子や分子を供給して層状に結晶を積み重ねる手法である。基板と同種の材料を成長させるホモエピタキシャルや、異種材料を成長させるヘテロエピタキシャルに大別される。基本的には基板結晶の格子定数や結晶構造を参照しながら、成長させる原子が秩序正しく並ぶことで高品質な単結晶膜を形成する。微細デバイスやセンサー、レーザーダイオードなど、多種多様な半導体製品で採用されており、結晶欠陥の低減や薄膜の高均質化が求められている。
主なエピタキシャル成長技術
実用的なエピタキシャル成長手法としては、化学気相成長(CVD)が最も一般的である。シラン(SiH4)やトリメチルガリウム(TMG)などの反応ガスを加熱された基板に供給し、表面反応によって結晶を堆積させる仕組みがCVDの基本である。また、分子線エピタキシー(MBE)は真空中で分子線を基板に照射し、高純度かつ低速での成長制御を行うのが特徴であり、量子井戸や超格子などの精密な異種材料積層構造を作りやすい。一方、有機金属気相成長(MOCVD)はGaN系やGaAs系など化合物半導体で多用され、高品質なエピタキシャル層の実現に寄与している。
結晶欠陥と格子整合性
エピタキシャル成長においては、基板と成長膜の格子定数が異なる場合に生じる歪みや結晶欠陥が大きな課題となる。格子不整合が大きいと転位や亀裂、積層欠陥などが生成され、デバイス特性の低下や歩留まりの悪化を招く。対策として、バッファ層を挟んで歪みを徐々に緩和したり、組成を段階的に変化させる勾配層を導入したりする手法が開発されている。こうした技術は高効率LEDや高出力パワーデバイスの性能を左右する要因となり、製品開発の競争力を支える重要な鍵となっている。
ドーピング技術との融合
シリコン半導体や化合物半導体に電気的特性を付与するには、エピタキシャル成長と同時にドーピングを行う場合がある。成長ガスに適量のドーパント源を混合し、結晶成長と並行して不純物を導入することで、目的のキャリア濃度や電気特性を得やすくなる。とくに薄膜中でのドーパント濃度勾配を高精度に制御すれば、PINダイオードやヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)などの高度な半導体デバイスを最適化できる。このようにエピタキシャル層の品位とドーピング分布を両立する技術がデバイス性能に直結すると言える。
成長装置とプロセス制御
エピタキシャル成長に用いられる装置は、基板サイズや成膜速度、温度域などの要件に応じて多様化している。CVD装置ではシャワーヘッド方式や水平炉、回転ディスク式などの工夫により、ガス供給の均一性や反応速度を制御して厚みや組成のばらつきを低減させる。一方、MBE装置は超高真空中で個別に加熱された原子源から分子線を照射するため、緻密な成長制御が可能だが生産性は低めである。いずれの装置でも基板温度、成長圧力、反応ガス流量などをリアルタイムに監視・調整し、高品質のエピタキシャル膜を形成することが重要視されている。
光デバイスへの応用
エピタキシャル成長はレーザーダイオードや発光ダイオード(LED)などの光デバイス分野でも欠かせない。GaN系の青色LEDや半導体レーザーでは、基板との格子整合性が大きな課題となってきたが、バッファ層技術やMOCVD技術の進歩により、高出力で長寿命のデバイスが実用化されている。また、量子井戸や多重量子井戸構造を精密に形成することで、発光波長の制御や出力特性の最適化が可能となる。こうした高機能デバイスはディスプレイ、照明、センシングなど幅広い分野で活用が進んでいる。
高周波・パワーデバイスへの応用
GaAsやGaNなどの化合物半導体は、高周波領域での電子移動度が高く、高出力や高速動作が可能な点で注目されている。エピタキシャル成長によって2次元電子ガス(2DEG)を形成したヘテロ構造FETは、5G通信や衛星通信機器などで使われる高周波デバイスとして重要視される。また、GaNやSiCのパワーデバイスでは高耐圧や低損失を実現するために、高品位なエピタキシャル層が不可欠である。大電流・高電圧環境に耐える高信頼性デバイスの開発は、省エネルギー社会の構築にも密接に関連している。