炭化ケイ素とシリコンの比較：高温用途における半導体の比較研究

1 はじめに

半導体が生産や生活の様々な場面で幅広く応用されるようになり、様々な使用場面で半導体材料に求められる性能はますます多様化している。多くの応用環境では、半導体材料は高温で動作する必要があり、半導体材料には高い熱安定性、電気安定性、電力密度が要求されます。このような要求のもと、安定した構造と特性を持ち、熱安定性に優れた半導体材料として、炭化ケイ素（SiC ）とシリコン（Si）ウェハーが注目されています。この2つの原子結晶はダイヤモンド構造であるため、熱的安定性が極めて高く、高温環境下でより多くの半導体機能を担うことができる。本稿では、結晶構造と物理化学的特性の観点から、高温半導体応用シーンにおける性能の違いとその理由を分析し、作製プロセスやコストと合わせて選択の参考となる情報を提供する。

2 炭化ケイ素とシリコンウェーハの結晶構造と物性

2.1 炭化ケイ素の結晶構造と物性

炭化ケイ素は結晶構造から六方晶のα-炭化ケイ素と立方晶のβ-炭化ケイ素に分けられる。α-炭化ケイ素（α-SiC）は最も一般的な多結晶タイプで、原子の配列によって4H-SiCと6H-SiCに分けられ、4H-SiCの結晶構造ではケイ素原子と炭素原子が交互に層状に配列して六方晶の結晶格子構造を形成し、6H-SiCでは六方晶と正方晶が交互に配列した結晶格子構造を形成する。図1は、これら2つの結晶構造の原子配列を示したものである。

図1 4H-SiC（左）と6H-SiC（右）の結晶構造

α-SiCでは、4H-SiCと6H-SiCの格子構造のわずかな違いにより、いくつかの特性が若干異なっている。4H-SiCは大きな格子不整合耐性を持ち、これは格子内の原子配列が不完全に一致していても、結晶がある程度の安定性と結晶性を維持する能力を特徴付けるもので、応力の作用下での結晶材料の塑性と安定性を記述するための重要なパラメータである。応力作用下における結晶性材料の塑性と安定性を表す重要なパラメータである。格子不整合耐性が大きく、絶縁破壊電界強度が高く、電気伝導性が高いという組み合わせにより、4H-SiCデバイスの安定性と信頼性が向上し、ハイパワーエレクトロニクスやオプトエレクトロニクスで優れた性能を発揮します。対照的に、6H-SiCは電子移動度が高く、電子捕獲断面積が小さいため、移動度や寿命などのキャリア輸送特性が優れている。

β-シリコンカーバイド（β-SiC）は、原子配列から3C-SiCと表すことができ、各シリコン原子は4個の炭素原子と4個の隣接するシリコン原子に囲まれた立方格子構造をしている。図2にその原子配列構造を示す。

図2 3C-SiCの結晶構造

α-SiCは、β-SiCと比較して、結晶構造の安定性が高く、不純物濃度が低く、欠陥密度が低いため、高温、高出力、高電圧の条件下での動作が可能であり、コストパフォーマンスとデバイスの信頼性に優れている。3C-SiCについては、その結晶構造により理論電子速度が最も高いが、不純物の影響を受けやすく、不純物腐食痕が残る。3C-SiCは、電子移動度と電子飽和ドリフト速度が高く、不純物濃度とリーク電流が低いため、ハイパワーエレクトロニクス、RFデバイスなどに使用できるが、結晶格子構造とシリコン基板材料の違いにより、集積回路製造には適さない。SiC固有の物理的、化学的特性と関連パラメータの結晶構造の違いを表1に示す。

表1 異なる結晶構造を持つSiC結晶の特性

2.2 シリコンの結晶構造と性質

シリコン結晶は典型的なダイヤモンド構造をしており、シリコン原子が等距離に配列して立方格子を形成し、各シリコン原子が周囲の4つのシリコン原子と共有結合で連結して極めて安定な正四面体構造を形成しているため、シリコンモノマーは高い融点（1414℃）と熱安定性を持つ。図3は、シリコン結晶の構造を模式的に表したものである。

図3 シリコンの結晶構造

シリコン結晶中の各シリコン原子は、周囲の4つのシリコン原子と共有結合でつながっており、安定した結晶構造を形成している。このため、シリコンは化学的にも熱的にも安定で、融点は摂氏約1414度である。また、シリコンは熱伝導率が約1.5～1.7ワット/メートル・ケルビン（W/m・K）と高く、放熱や熱管理用途に重要である。シリコンは間接バンドギャップ半導体で、バンドギャップ幅は約1.1電子ボルト（eV）である。室温ではシリコンは絶縁体として振る舞いますが、（温度の上昇や電界の印加などによって）励起されると、電子が伝導帯に飛び込んで半導体になります。純粋なシリコン結晶では、電子と正孔の濃度が非常に低いため、絶縁体として振る舞う。しかし、ドーピングや電場の印加によって、自由キャリアをさらに導入することができ、シリコンは半導体または導体の導電性を示すようになる。

図4 シリコン結晶のエネルギーバンド構造図

3 SiCとSiが他の半導体材料より優れている理由

3.1 高温環境における半導体材料の課題

高温では、材料は熱応力や熱膨張の影響を受けやすく、結晶構造の破壊や特性の劣化につながります。半導体材料、特にシリコンのような材料にとって、熱安定性は極めて重要である。結晶構造はデバイスの性能指数に影響を与えるだけでなく、プロセス全体の動作や安全性にも直接影響を与える可能性がある。同時に、半導体材料の電気特性は高温環境下で変化しやすく、例えば、導電率、キャリア濃度などが温度の影響を受けて変化し、電子デバイスの性能低下や故障につながる可能性がある。また、高温環境下での半導体材料は、周辺環境中の酸素や水蒸気等と化学反応を起こしやすく、材料表面の酸化、腐食、材料中の不純物の拡散等が起こり、デバイスの安定性や寿命に影響を与える。また、高温環境下で動作するデバイス内部で発生した熱は、再び温度上昇を引き起こし、デバイスの性能や安定性に影響を与える可能性があります。したがって、高温環境下での半導体デバイスには、優れた熱伝導と放熱システムが不可欠である。

3.2 炭化ケイ素とシリコンの長所と短所

3.2.1 熱特性

Siの融点は約1414℃、SiCの融点は約2700℃である。シリコンの熱伝導率は約1.5～1.7ワット毎メートル・ケルビン（W/m・K）である。SiCの熱伝導率はより高く、温度や結晶構造にもよるが、一般的には1メートル・ケルビンあたり3～4.9ワット（W/m・K）である。図5に示すように、炭化ケイ素の熱伝導率はシリコンの熱伝導率の3倍である。高温環境に耐えるという総合的な観点から見ると、SiCはSiよりも高温に耐えることができ、放熱性能にも優れているため、極めて高温が要求される用途に優先的に使用することができる。

図.5 シリコンより3倍高い熱伝導率を持つ炭化ケイ素

3.2.2 光電特性

SiCはバンドギャップ幅が2.2～3.3電子ボルト（eV）の広帯域半導体であり、Siはバンドギャップ幅が約1.1電子ボルト（eV）の狭帯域半導体である。バンドギャップ幅は材料の導電特性を決定する。バンドギャップが小さい材料は、電子が比較的容易に伝導帯に飛び込むことができ、伝導挙動に関与できるため、通常、良導体または半導体として振る舞う。一方、バンドギャップが大きい材料は、電子が伝導帯に飛び込むのに高いエネルギーを必要とするため、通常は絶縁体として振る舞う。バンドギャップ幅は、光の吸収、放出、透過など、材料の光学特性も決定する。バンドギャップが小さい材料は通常、より多くの光子を吸収できるため、優れた光吸収特性を示す。一方、バンドギャップが大きい材料は、バンドギャップ幅以上のエネルギーを持つ光子しか吸収できないため、通常、透明または半透明である。SiCとSiが異なる使用シナリオに適用されるのも、こうした特性の違いによるものである。

3.2.3 機械的特性と化学的安定性

SiCのモース硬度は約9～9.5でダイヤモンドの硬度に近いのに対し、Siのモース硬度は約7でSiCよりやや低い。SiCは硬度が高いため耐摩耗性や耐傷性に優れ、耐摩耗性が求められるデバイスの製造に適している。同時に、SiCの強度は通常Siよりも高い。SiCは優れた曲げ強度と引張強度を持ち、変形や破断を起こすことなく、より大きな応力に耐えることができる。SiCは室温での化学的安定性が高く、酸、アルカリ、溶媒に侵されにくいが、Siは一部の強力な酸化剤や強酸に侵される。

4 炭化ケイ素とシリコンの異なる応用場面

SiCとSiの結晶構造から生じる異なる特性を考慮すると、その用途がいかにそれぞれの長所に合わせて調整されているかがわかる。

SiCは卓越した熱安定性と高温耐性を誇り、極端な熱条件下で動作する電子デバイスの製造に理想的です。その用途には、パワー・デバイス、RFデバイスなどが含まれる。高温環境下での堅牢な性能は、パワーエレクトロニクス、RF通信、車載エレクトロニクスなどの分野での需要に応える可能性を開く。さらに、SiCはバンドギャップ幅が広いため、耐圧が高く、オン抵抗が低いため、パワーMOSFETやダイオードなどのハイパワーデバイスの製造に特に適している。

一方、Siは最も一般的な半導体材料のひとつであり、トランジスタ、集積回路、太陽電池といった従来の電子デバイスに広く使われている。Siはマイクロエレクトロニクスの礎となる材料であり、高度な集積化と小型化を可能にする成熟した調製技術と加工方法の恩恵を受けている。Siの多用途性は、LED、レーザー、光検出器、太陽電池などのオプトエレクトロニクス用途にも広がり、その優れた光起電力特性と光電変換効率を活用している。

5 結論

シリコンと比較すると、炭化シリコンはより高温のシナリオでより幅広い用途を持つ傾向がありますが、その調製プロセスと得られる完成品の純度により、温度環境の要件が比較的低い場合には、シリコンウェーハの方がより一般的に使用される選択肢であることに変わりはありません。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズは、お客様の様々な用途に高品質の炭化ケイ素ウェハーとシリコンウェハーを提供します。

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参考文献

[1]Fenglin G ,Chen S ,Xiufang C , et al.N型4H-SiCウェーハのラップ研磨時の表面下損傷差による形状変調[J].Materials Science in Semiconductor Processing,2022,152.