半導体製造における主要な原材料：ウェーハ基板の種類

ウェーハ基板は半導体デバイスの物理的なキャリアとして機能し、その材料特性はデバイスの性能、コスト、および適用範囲に直接影響します。以下は、主要なウェーハ基板の種類とその利点と欠点です。

1. シリコン（Si）

市場シェア：世界の半導体市場の95％以上を占めています。

利点：

• 低コスト：豊富な原材料（二酸化ケイ素）と成熟した製造プロセスにより、大幅な規模の経済が実現します。
• 高いプロセス互換性：高度に成熟したCMOS技術は、ナノスケール製造（例：3nmノード）をサポートしています。
• 優れた結晶品質：大型（12インチが主流、18インチを開発中）の低欠陥単結晶を製造できます。
• 安定した機械的特性：切断、研磨、および加工が容易です。

欠点：

• 狭いバンドギャップ（1.12 eV）：高温での高いリーク電流は、パワーデバイスの効率を制限します。
• 間接バンドギャップ：非常に低い光放出効率であり、光電子デバイス（例：LED、レーザー）には適していません。
• 限られた電子移動度：化合物半導体と比較して、高周波性能が劣ります。

ZMSHのシリコンウェーハ

2. ヒ化ガリウム（GaAs）

用途：高周波RFデバイス（5G/6G）、光電子デバイス（レーザー、太陽電池）。

利点：

• 高い電子移動度（シリコンの5～6倍）：高速、高周波アプリケーション（mmWave通信）に最適です。
• 直接バンドギャップ（1.42 eV）：効率的な光電変換であり、赤外線レーザーとLEDの基盤を形成します。
• 耐熱性/耐放射線性：航空宇宙および高温環境に適しています。

欠点：

• 高コスト：希少な材料であり、複雑な結晶成長（転位が発生しやすい）; ウェーハサイズは小さい（6インチが主流）。
• 機械的脆性：断片化しやすく、低い加工歩留まりになります。
• 毒性：ヒ素の取り扱いには厳格な管理が必要です。

ZMSHのGaAsウェーハ

3. 炭化ケイ素（SiC）

用途：高温/高電圧パワーデバイス（EVインバーター、充電パイル）、航空宇宙。

利点：

• 広いバンドギャップ（3.26 eV）：高電圧（破壊電界強度10倍）に耐え、200℃以上で動作します。
• 高い熱伝導率（シリコンの3倍）：効率的な放熱により、システムの電力密度が向上します。
• 低いスイッチング損失：電力変換効率を向上させます。

欠点：

• 困難な基板準備：遅い結晶成長（1週間以上）と困難な欠陥制御（マイクロチューブ、転位）; コストはシリコンの5～10倍です。
• 小さなウェーハサイズ：主流は4～6インチ; 8インチの開発が進行中です。
• 困難な加工：高硬度（モース硬度9.5）により、切断と研磨に時間がかかります。

ZMSHのSiCウェーハ

4. 窒化ガリウム（GaN）

用途：高周波パワーデバイス（急速充電器、5G基地局）、青色LED/レーザー。

利点：

• 超高電子移動度+広いバンドギャップ（3.4 eV）：高周波（>100 GHz）と高電圧特性を組み合わせます。
• 低いオン抵抗：デバイスの消費電力を削減します。
• 異種エピタキシー互換性：コストを削減するために、多くの場合、シリコン、サファイア、またはSiC基板上に成長させます。

欠点：

• バルク結晶成長の難しさ：主流は異種エピタキシーに依存しており、格子ミスマッチによる欠陥が発生します。
• 高コスト：自己支持型GaN基板は高価です（2インチウェーハは数千ドルかかる可能性があります）。
• 信頼性の課題：現在の崩壊効果には最適化が必要です。

ZMSHのGaNウェーハ

5. リン-インジウム（InP）

用途：高速光電子工学（レーザー、検出器）、テラヘルツデバイス。

利点：

• 超高電子移動度：>100 GHzの高周波動作をサポートします（GaAsよりも優れています）。
• 波長整合による直接バンドギャップ：1.3～1.55μm光ファイバー通信に不可欠です。

欠点：

• 脆性と高コスト：基板価格はシリコンの100倍以上; ウェーハサイズは小さい（4～6インチ）。

ZMSHのInPウェーハ

6. サファイア（Al₂O₃）

用途：LED照明（GaNエピタキシャル基板）、家電製品カバー。

利点：

• 低コスト：SiC/GaN基板よりも安価です。
• 化学的安定性：耐腐食性と絶縁性があります。
• 透明性：垂直構造LEDに適しています。

欠点：

• GaNとの格子ミスマッチ（>13％）：エピタキシャル欠陥を減らすためにバッファ層が必要です。
• 低い熱伝導率（シリコンの約1/20）：高出力LEDの性能を制限します。

ZMSHのサファイアウェーハ

7. 酸化アルミニウム/セラミック基板（例：AlN、BeO）

用途：高出力モジュールの放熱基板。

利点：

• 絶縁+高い熱伝導率（AlN：170～230 W/m・K）：高密度パッケージングに最適です。

欠点：

• 非単結晶：デバイスを直接成長させることはできません; パッケージング基板としてのみ使用されます。

ZMSHのアルミナセラミック基板

8. 特殊基板

• SOI（シリコン・オン・インシュレータ）:

1. 構造：シリコン/二酸化ケイ素/シリコンサンドイッチ。
2. 利点：寄生容量、耐放射線性、およびリーク電流を削減します（RF、MEMSで使用）。
3. 欠点：バルクシリコンよりも30～50％高いコスト。

• 石英（SiO₂）：フォトマスク、MEMSで使用; 耐熱性がありますが、脆いです。
• ダイヤモンド：最高の熱伝導率（>2000 W/m・K）であり、極端な放熱のために開発中です。

ZMSHのSOIウェーハ、石英ウェーハ、ダイヤモンド基板

比較表のまとめ

選択のための重要な要素

1. 性能要件：高周波アプリケーションはGaAs/InPを好み、高電圧/高温アプリケーションはSiCを必要とし、光電子工学はGaAs/InP/GaNを好みます。
2. コスト制約：家電製品はシリコンを優先し、ハイエンド分野はSiC/GaNのプレミアム価格を受け入れます。
3. 統合の複雑さ：シリコンCMOS互換性は依然として比類がありません。
4. 熱管理：高出力デバイスはSiCまたはダイヤモンドベースのGaNを優先します。
5. サプライチェーンの成熟度：シリコン>サファイア>GaAs>SiC>GaN>InP。

今後のトレンド

異種統合（例：シリコン上のGaN、GaN上のSiC）は、性能とコストのバランスを取り、5G、電気自動車、および量子コンピューティングの進歩を促進します。

ZMSHのサービス

半導体材料の製造と取引を統合した総合的なサービスプロバイダーとして、ウェーハ基板（Si/GaAs/SiC/GaNなど）からフォトレジスト、CMP研磨材料まで、フルチェーンの製品サプライチェーンソリューションを提供しています。 自社開発の生産拠点とグローバルなサプライチェーンネットワークを活用し、迅速な対応能力と専門的な技術サポートを組み合わせることで、お客様の安定したサプライチェーン運営と技術革新のウィンウィンの成果を支援します。