sciencompassサイトマップsciencompass今勉強していること、これまで勉強してきたことを発信してます。半導体物理や数学、英語などの記事を書いています。2018年8月10日GaNはバンドギャップの大きな半導体材料であり、そのバンドギャップの大きさを利用して、青色から紫外のLEDやパワーデバイス、高周波デバイスに利用されています。2014年のノーベル物理学賞はGaNの結晶成長に関する研究で、日本人が受賞しています。GaNデバイスはSiデバイスに比べると高性能なデバイスですが、高価なデバイスであることが課題です。半導体チップのコストダウンには、基板のサイズを大きくすることが有効です。現在、GaNデバイスの基板としては、Si基板、サファイア基板、SiC基板、GaN基板などが使われています。中でもSi基板が一番サイズ当たりのコストが一番安いため、Si基板上へのGaNデバイスの作製が注目されています。そこで、Si基板上へのGaNの成長について紹介します。6H-SiCの違いSi基板上へのGaN成長Si基板のメルトバックエッチング歪の緩和まとめ熱膨張係数で格子定数の変化を計算GaNデバイスの基板GaNデバイスの基板として主に使われている4つの基板、Si基板、サファイア基板、SiC基板、GaN基板について比較します。各基板のサイズを比較すると、半導体産業の中で最も歴史があり、発展しているSiが最も大きく、8インチあるいは12インチのウェハがGaNデバイスの作製に使われています。そのほかの基板のうち、サファイア基板とSiC基板は4インチが主流で、最近は大口径化の流れで6インチのウェハが開発されています。最後にGaN基板は最近になってようやく市販されるようになり始めたばかりで、サイズも2インチと小さいです。次に基板とGaNの格子定数を比較します。GaN基板を除いて、基板上のGaN成長はヘテロエピタキシャル成長になります。ヘテロエピタキシャル成長では、基板と成長層の格子定数差が重要な要素になります。格子のミスマッチから考えると、Si基板やサファイア基板はミスマッチが大きく、SiC基板上の成長より不利です。Si基板は価格の面で他の基板よりも優れています。Si基板は価格が安くて、サイズも大きいことから、Si基板上にGaNデバイスを作製することでデバイス価格を抑えられます。そのため、Si基板上のGaN成長はこれまでも現在も広く研究開発が行われています。一言その他の物性にも言及しておきます。今回の表では価格の面と格子定数にのみ注目しましたが、デバイスによっては基板の放熱性も気にする必要があります。デバイス動作時に熱が発生して特性が劣化するような場合、基板の放熱性が高ければ動作で発生した熱を逃がしやすく、特性の劣化を防ぐことができます。いった点では、Si基板は不利で、SiC基板に軍配が上がります。SiC基板はSi基板に比べて高価になるので、そこは性能と価格、市場の要求などのトレードオフになると思います。Si(111)の理由Siは立方晶系の結晶で、ダイヤモンド構造の結晶構造です。ダイヤモンド構造は下図のような構造です。GaNは六方晶系の結晶で、ウルツ鉱型の結晶構造です。GaNの結晶構造は下図のような構造です。SiとGaNは結晶系が異なるため、同じ面方位、たとえばSi(001)面上にc軸配向したGaN(すなわち(0001)面)を結晶成長することはできません。それは、Si(001)面には正方形の頂点と面心に原子が並んでいるのに対して、GaNでは六角形の頂点と中心に原子が並んでいるためです。ダイヤモンド構造の(111)面を見ると、原子が六角形状に並んでいるのがわかります。Si(111)面上であれば、GaN(0001)面を結晶成長させることができるということです。Siの結晶成長に使用される理由です。これは立方晶として考えた場合の格子定数です。二つの値で表されます。