宇宙を使った半導体単結晶製造技術の開発

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れんかだいほうじ
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1 宇宙を使った半導体単結晶製造技術の開発微小重力下における TLZ 法による均一組成 SiGe 結晶育成の研究 (Hicari) 代表研究者木下恭一 ( 宇宙航空研究開発機構 ) 詳しくは以下のホームページもご覧ください 1

2 2 はじめに宇宙利用の意義の変化 ISS 計画当初 (1990 年代 ) 宇宙環境利用は宇宙工場として期待されたしかし二度のシャトル事故 ISS 計画の遅延 : リスクの大きさ不安定性輸送及びクルータイム等の制約地上技術の加速的な進展宇宙工場の意義喪失宇宙環境利用の意義は宇宙工場から宇宙の実験室へ ( 地上では得られない新たな知見やノウハウの獲得へ )

3 3 実験の背景 : シリコンテクノロジーの限界現代生活に不可欠である代表的半導体はシリコンシリコンの素子を小さくすることでコンピュータの小型化高速度化を実現してきたがその試みは限界! 持続的発展可能社会の実現に向けてはコンピュータの低消費電力化高性能化高機能化小型化は必要不可欠シリコンにゲルマニウムを均一に * 混ぜてできた新しい半導体ができればコンピュータの処理能力が格段にあがり将来的に高速かつ省エネなコンピュータ実現に繋がる! * 均一組成 :Si( シリコン ) と Ge( ゲルマニウム ) が交互にきれいに並んで配置された状態

その上に成長させることのできる薄膜結晶の種類が増える Si 基板性能が飛躍的にアップした素子や今までになかった性能の新しい素子製造が可能に!

4 宇宙実験の背景 : 均一組成混晶への期待各種半導体結晶は原子が規則正しく並んで固体になったもの原子の並びの間隔は各々結晶固有の値を持っている均一組成混晶が可能になれば混ぜ合わせたもの同士の原子の大きさが異なるので混ぜ合わせの比率によって並びの間隔を変えることができる混晶を基板として使用できればその上に成長させることのできる薄膜結晶の種類が増える Si 基板性能が飛躍的にアップした素子や今までになかった性能の新しい素子製造が可能に! ( 隙間が大きくなることで電子が移動しやすくなり半導体素子の高速動作が可能また低い電圧で動作させることができるため消費電力も少なくなる ) しかし均一に混ぜたバルク SiGe 結晶の製造は産業界でも宇宙実験でも誰も成功したことがない困難な課題 4

5 均一組成混晶育成を目指した宇宙でのチャレンジの歴史 1974 年 Gatos らの均一不純物濃度 InSb 結晶を皮切りに数十例の宇宙実験が実施日本でもふわっと 92 SFU] 等で均一組成混晶育成にチャレンジ期待値ふわっと 92 実験結果 PbTe-SnTe 混晶育成実験短い領域で均一組成実現も目的の組成ではなし均一組成のデータはとれたものの狙った組成ではなかったなぜ? 微小重力環境でも固液界面濃度を一定にすることができなかったため従来の結晶成長方法に代わる新しい結晶成長方法を考案する必要がある TLZ 法の発明!! 5

6 均一組成の混晶育成に係る成功の鍵は何か? 液体中の Ge の 6 割しか固体中にとりこまれない ( 状態図参照 ) 取り込めない分を最初から増加させておいて結晶成長を行う必要があるそのためには安定な濃度勾配を維持する必要があるが安定な濃度勾配を維持する方法がなかった液体中の飽和状態を利用して安定な濃度勾配を維持する方法を考案 (TLZ 法 ) 濃度6 割高濃度結晶成長目的の均一組成固相線固体液体液相線液体 + 固体 C 固体 /C 液体 = 0.60 Si 17%, Ge83% が溶けた状態 ( 液体 ) これが固体になると Ge 濃度が 50% になる C 液体 0.83 長さ界面界面 900 Si C 固体 0.50 Si Ge 平衡状態図 Ge 6

7 Traveling Liquidus Zone (TLZ) 法の考案溶液中の濃度勾配を一定に保つため溶液帯を形成し溶融帯全体を飽和状態するそうすることにより濃度勾配は温度でコントロールできるようになることに着目シリコンとゲルマニウムの混晶で期待通りの均一組成結晶をつくることに世界で初めて成功 ( 特許取得 ) Si 原料溶液帯 SiGe 結晶安定な濃度勾配液相線固体液体液相線 + 固体液体固相線 (a) 試料構成 Si Ge (b)ge 濃度分布 Si Ge 平衡状態図重力環境下では熱対流が発生するため溶液が撹拌されてしまい溶液中の濃度勾配を一定に保つことができずこれまでは均一組成単結晶生成ができなかった宇宙で対流がなくなると濃度勾 7 配を保つことが可能になるため微小重力環境は結晶育成に関するデータ取得に適した環境 7

8 これまで 2 回行った宇宙実験の成果 (1) 1. 直径 10 mm 長さ 17 mm の均一組成 Si 0.5 Ge 0.5 結晶の製造に成功 TLZ 法を用いても地上では直径 2mm が限界対流が均一組成実現に必要な液体内の濃度分布を乱すため宇宙では密度差による対流がなくなり均一組成の大きな結晶が実現できた * JAXA が開発した新しい結晶成長方法 (TLZ 法 ) により世界で初めて大きな均一組成の結晶を製造した従来の方法では地上はもちろんのこと宇宙でも均一組成は実現できなかった * TLZ 法が均一組成バルク混晶の生成技術として有効であることが確認できたしたがってこの方法を地上で応用していけば均一組成の混晶の製造の道が開ける Si 種結晶 SiGe 結晶固化したメルトゾーン原料図 1.1 回目の宇宙実験で育成した SiGe 結晶の外観 8

9 これまで 2 回行った宇宙実験の成果 (2) 2. 今後の地上応用に向けて長尺大口径化に役立つデータの取得 * 成長に伴う径方向組成均一性の悪化とTLZ 法モデル式との関係データの取得今後の実験によりデータの更なる蓄積を図る *1 回目の実験成果を国際学術誌に投稿し高い評価で受理された (2 月に発行予定 ) Ge 濃度 (at%) ±1.5% 成長結晶軸方向長さ (mm) シリコンの結晶製造でも地上で対流を抑えるような様々な工夫がされている磁場で抑える温度勾配を小さくするなど地上での製造の条件を最適化するなどで長尺大口径化をしていくことが可能濃度 (at%) Si Ge Si Ge 地上実験 10 mm 位置宇宙実験 16.3 mm 位置径方向長さ (mm) S 9

mobility ひずみ Ge p-mos Metal n + n + p + p + Strained p-si Strained

基板上のトランジスタに比べ約 6 倍の高速化が可能トランジスタの型 n 型 /Si 基板 600 p 型 /Si 基板 200

/SiGe 基板 1200 消費電力 (W) 120 100 80 60 40 現状宇宙実験成果による期待値 CPU の使用例 20

10 Si 0.5 Ge 0.5 単結晶の産業応用価値 Oxide High mobility ひずみ Si n-mos Si Metal Si 0.5 Ge 0.5 ( 基板 ) High mobility ひずみ Ge p-mos Metal n + n + p + p + Strained p-si Strained n-ge Oxide ( 従来は Si) Si 0.5 Ge 0.5 基板上のトランジスタ構造 SiGe 基板上のトランジスタは Si 基板上のトランジスタに比べ約 6 倍の高速化が可能トランジスタの型 n 型 /Si 基板 600 p 型 /Si 基板 200 ひずみ Si-n 型 /SiGe 基板 1200 移動度 (cm2/vs) 140 低電力高速 CPU の実現ひずみ Ge-p 型 /SiGe 基板 1200 消費電力 (W) 現状宇宙実験成果による期待値 CPU の使用例クロック周波数 (MHz) CPU の高速度化に伴う消費電力の増大を SiGe 基板により防止さらに高速化の限界の打破 CPU とそれを組み込んだマザーボードの例 10

11 加熱室試料自動交換装置に取り付けられたカートリッジ 11 今後 2 回宇宙実験を予定若田船長の操作実験後カートリッジを温度勾配炉から取り外し, 手作業で解体する結晶試料が封入されている金属セルを回収容器に梱包する * 炉の加熱や加熱室の移動は地上からの指令で行う実験目的 : 第 1 回第 2 回では綺麗な均一組成混晶を作る為の条件に係る基礎データを取得今後の 2 回の実験では組成が乱れる条件と乱れないようにコントロールする条件についてのデータを取得温度勾配炉制御部

12 バックアップチャート

13 13 温度勾配炉 (GHF) および実験の詳細 Si 種結晶 Ge( 溶融帯 ) Si 原料炭素バネ加熱炉加熱炉移動用モーター上図. GHF ヒーター外観結晶成長上図. GHFヒーター温度履歴

14 光通信用半導体レーザーへの要求メトロアクセス NW の大容量化メトロ局内リンクの 10Gb/s 化が進展データコムの高速化 10G ラインがバックボーンからユーザエリアサーバエリアに急速に拡大 10G ラインの急増ルータ 10G ポートの高密度化小型化が進展小型低消費電力高温動作可能な 10G 光源の要求が増大 RHK Q コア / メトロネットワーク大学データセンタ 10G Ether (10GE- LR/LW/LRM) 企業 LAN メトロ局内リンク (10Gb/s) CATV FTTH アクセス用 (1~2.5G) ADSL 無線出荷数 (1000 台 ) 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 アクセスネットワークホーム LAN 年通信用 10G 直接変調レーザ市場 14

µm レーザー断面地上での NTT およびフルウチ化学 ( 株 ) との研究開発により半導体レーザーの試作に成功し高温まで安定した出力を持つことおよび 10 Gb/s 変調シグナルの 20 km 光ファイバ伝送を確認 ( 性能は十分達成

15 出力(相対値)TLZ 法を用いた地上実験 (InGaAs 単結晶 ) ではレーザーを実現 InGaAs 単結晶基板 : 対流抑制のために薄板状の結晶を製造 InGaAs 基板レーザーの実現 : 光通信ネットワークに使用出力の温度安定性に優れる p-ingap クラッド p 電極単結晶領域発光活性層高速ブロードバンド低消費電力光通信ネットワークの実現に貢献絶縁膜 n-ingap クラッド n-ingaas 基板 n 電極 3.4m 1µm 1.7.µm レーザー断面地上での NTT およびフルウチ化学 ( 株 ) との研究開発により半導体レーザーの試作に成功し高温まで安定した出力を持つことおよび 10 Gb/s 変調シグナルの 20 km 光ファイバ伝送を確認 ( 性能は十分達成現状まだ高コストのため実用化は見送り宇宙実験の成果を活かして地上で InGaAs 基板を低コストで製造できるようになれば実用化の道が開けると期待される 1 InGaAs 基板上レーザー従来レーザー (InP 基板 ) 温度 ( o C) 15

16 濃度濃度濃度無重力下では均一組成の結晶育成が可能重力環境下では熱対流が発生するため溶液が撹拌されてしまい溶液中の濃度勾配を一定に保つことができずこれまでは均一組成単結晶生成ができなかった宇宙で対流がなくなると濃度勾配を保つことが可能になるため微小重力環境は結晶育成に関するデータ取得に適した環境地上長さ宇宙宇宙 ( 期待値 ) 地上 ( 実測値 ) 長さ固化した割合 8

17 結晶成長に伴う組成変化 ( 地上対流有り ) 17

18 均一組成結晶成長 ( 宇宙対流なし ) 18

19 19 微小重力環境を利用した均一組成半導体結晶育成の試み Te -doped InSb Witt et al., J. Electrochem. Soc., 122 (1975) 276.

20 20 Si 基板の開発史 ? SiGeウエーハシリコンウエーハの口径とチップ面積の変遷 1918 年 :CZ 法の考案 1947 年 : 半導体トランジスタ 1957 年 : 集積回路の発明 1958 年 :Si 単結晶無転位化 1968 年 :φ50 Si 基板 1974 年 :φ75 Si 基板 1980 年 :φ100 Si 基板 1986 年 :φ150 Si 基板 1990 年 :φ200 Si 基板 1998 年 :φ300 Si 基板 2007 年 :φ400 Si 基板 GaAs 単結晶の大口径化 1957 年 :5 mm 角 ( 溶液成長 ) 1968 年 :φ25 HB 法育成基板 1980 年 :φ50 LEC 法育成基板 1982 年 :φ75 基板 1988 年 :φ100 基板 1999 年 :φ150 基板

21 21 TLZ 法と従来のゾーンメルト法との比較温度 T m2 融点 T m2 ( >T m1 ) 温度分布 T m2 温度温度分布融点は同じ T m T m T m1 固体 melt 融液固体固体融液固体 TLZ 法長さ ( 低い融点の融液形成材を使用して比較的低い温度勾配で融液を形成 ) 長さ従来のゾーンメルト法 ( 急峻な温度勾配で融液を形成 )

22 22 研究成果まとめ特許まとめ : 申請者, 題名, 取得年 ( 特許番号 ), 採用企業 1.NASDA ( 単独 ) 固溶体単結晶の製造方法 ( 特許番号 , 2009 年登録 ), フルウチ化学 2.JAXA ( 単独 ) 固溶体単結晶の製造方法 ( 特許番号 , 2011 年登録 ), フルウチ化学 3. JAXA ( 単独 ) 固溶体単結晶の製造方法 ( 特願 ) 4. JAXA ( 単独 ) 固溶体単結晶製造用容器およびそれを用いた固溶体単結晶製造方法 ( 特願 ) 外部資金 : 題目, 申請者, 実施年, 資金額 1. 温度制御装置を必要としない光通信用半導体レーザーの研究開発 (NEDO) 依田眞一平成 15~17 年 169,603,200 円 ( 補助率 100%) 2. 省エネ性に優れた光通信用半導体レーザーの実用化開発 (NEDO) 依田眞一平成 18~20 年 51,243,150 円 ( 補助率 100%) 3. 極限 CMOSの研究開発 (NEDO) 依田眞一平成 21~23 年 201,378,450 円 ( 補助率 100%) 受賞歴 : 第 27 回日本結晶成長学会論文賞受賞者 : 木下恭一 TLZ 法開発と均一組成バルク混晶育成への応用 (2010 年 8 月 )

23 その他 :TLZ 法育成 InGaAs を基板とする光通信用半導体レーザに関する連携企業としては NTT フォトニクス研究所 ( レーザ作製と性能評価 ) およびフルウチ化学株式会社 ( 基板製造 ) 半導体レーザーの試作に成功し高温まで安定した出力を持つこと 10 Gb/s 変調シグナルの 20 km 光ファイバ伝送を確認 ( 性能は十分達成現状まだ高コストのため実用化は見送り宇宙実験の成果を活かして InGaAs 基板を低コストで製造できるようになれば実用化の途が開けると期待される ) フルウチ化学株式会社には産業連携センターを通して TLZ 法特許の使用を許諾 23 研究論文 : 代表的論文 5 報 1. K. Kinoshita, Y. Hanaue, H. Nakamura, S. Yoda, M. Iwai, T. Tsuru, Y. Muramatsu, "Growth of homogeneous mixed crystals of In 0.3 Ga 0.7 As by the traveling liquidus-zone method", J. Crystal Growth, (2002) H. Nakamura, Y. Hanaue, H. Kato, K. Kinoshita and S. Yoda, "A one-dimensional model to predict the growth conditions of In x Ga 1-x As alloy crystals grown by the traveling liquiduszone method", J. Crystal Growth, 258 (2003), pp K. Kinoshita, Y. Ogata, S. Adachi, N. Koshikawa, S. Yoda, H. Miyata and A new crystal growth method for growing homogeneous mixed crystals of In 0.3 Ga 0.7 As: the traveling liquidus-zone (TLZ) method, Adv. in Astronautical Sciences 117 (2004) pp K. Kinoshita, H. Miyata, R. Tanaka, T. Ueda, Y. Arai and S. Yoda, Si 0.5 Ge 0.5 bulk single crystals with uniform composition, J. Crystal Growth 349 (2012) pp K. Kinoshita, Y. Arai, Y. Inatomi, T. Tsukada, S. Adachi, H. Miyata, R. Tanaka, J. Yoshikawa, T. Kihara, H.Tomioka,H. Shibayama, Y. Kubota, Y. Warashina, Y. Sasaki, Y. Ishizuka, Y. Harada, S. Wada, C. Harada, T. Ito, M. Takayanagi and S. Yoda, Growth of a Si 0.50 Ge 0.50 crystal by the traveling liquidus-zone (TLZ) method in microgravity, J. Crystal Growth 388 (2014) pp その他関連英文論文 36 件.

木下恭一, 他 2. 実験方法 2.1 TLZ 法の原理まず, 宇宙実験で用いた TLZ 法の原理 7 10) について, その概略を Fig. 1 に示す.TLZ 法は溶液法の一種であることについては先に述べたが,TLZ 法はゾーンメルト法の一種でもある. 今までのゾーンメルト法と異なる点は,0

木下恭一, 他 2. 実験方法 2.1 TLZ 法の原理まず, 宇宙実験で用いた TLZ 法の原理 7 10) について, その概略を Fig. 1 に示す.TLZ 法は溶液法の一種であることについては先に述べたが,TLZ 法はゾーンメルト法の一種でもある. 今までのゾーンメルト法と異なる点は,0 Int. J. Microgravity Sci. Appl., 34 (1) (2017) 340113 DOI: 10.15011//jasma.34.340113 IIII GHF を用いた半導体結晶育成 IIIII ( 解説 ) 国際宇宙ステーションを利用した均一組成 SiGe 結晶の育成 (2) Traveling Liquidus Zone (TLZ) 法による育成実験と微小重力効果木下恭一