半導体および光学用途の一般的な水晶基板

水晶基板は、半導体製造、フォトニクス、オプトエレクトロニクス、および高度な光工学の基本中の基本である。集積回路、レーザーダイオード、LED、光検出器、MEMS構造、非線形光変調器、高出力レーザー部品などのデバイスの品質を最終的に決定するのは、その構造的完全性、電子的挙動、光学的透明性、熱的性能です。以下では、一般的に使用される基板について、その用途や仕様の詳細とともに概観する。

シリコン - マイクロエレクトロニクスとMEMSのための万能基板

シリコンは、その費用対効果、成熟した加工エコシステム、機械的堅牢性により、マイクロエレクトロニクスおよびMEMS製造において現在も最も広く使用されている結晶基板である。これらの特性は、ロジック・デバイス、パワー・エレクトロニクス、センサー・プラットフォームを実現する上で、シリコンの継続的な関連性を保証している。光学分野では、シリコンは1.2～8μmの赤外領域で透明性を持つため、赤外部品、フォトニック集積回路、受動導波路、赤外線イメージング素子では定番の材料となっている。高速フォトニック回路や高度なMEMS共振器はSOIウェハーによって実現され、5G通信、LiDARシステム、精密センシングに応用されている。

代表的なシリコン基板の仕様には、幅広いタイプがあります：CZ、FZ、SOI、純度99.99%以上、抵抗率はドーピングによりミリオームからメガオームレベルまで選択可能です。配向は、デバイスのニーズに合わせて(100)、(111)、(110)があります。ドーピングには、ホウ素、リン、ヒ素が含まれる。直径は2～12インチ。表面仕上げは片面研磨から、低散乱と精密な平坦性が要求される光学用途向けの両面研磨まで様々です。

サファイアはオプトエレクトロニクスとレーザー技術のための高性能基板材料です。

サファイアは窒化ガリウムエピタキシーに使用される大半の基板であり、青色LED、紫外LED、高出力レーザーダイオード、および多くのRFコンポーネントの基盤を形成しています。また、非常に高い硬度と熱伝導性により、高エネルギー光学システム、腕時計の窓、IR光学部品、放射線にさらされる環境でも有用です。このようなサファイアの特性は、化学的安定性や熱サイクルに対する耐性と相まって、過酷環境センサーや高温光学窓にも適しています。

サファイア基板は通常、様々なエピタキシャル・ニーズに対応するため、C面、A面、R面、M面方位で準備される。高品位基板は、TTV＜5μmの優れた平坦性とRa＜0.3nmの低い表面粗さを提供する。サファイアは非常に高い純度を示し、片面研磨または両面研磨で提供されます。融点が2040℃と非常に高いため、長期的な熱安定性が重要な場所ではサファイアが選択されます。

石英と石英ガラス - 光学的安定性と紫外線透過性

石英および石英ガラス基板は、紫外線光学、光学コーティング、干渉計、マイクロ流体デバイス、半導体リソグラフィ用フォトマスクなどに広く使用されています。その低熱膨張と深紫外（～180nm）から赤外までの優れた透明性は、高出力レーザーシステム、精密光学部品、波長安定部品に不可欠です。石英は、発振器、フィルター、共振器などに使用される圧電特性が評価されています。

これらの基板は高純度グレードがあり、厚さは光学プレート用で0.5～10mm、ウェハー用で200～800μmです。表面仕上げは、一般的にレーザー用途向けのスーパーポリッシュ（粗さ1Å以下）があります。石英の配向には、圧電素子への要求に応じて、Xカット、Yカット、Zカットがあります。石英ウェーハは一般的に直径2～6インチですが、石英プレートはサイズと形状がカスタマイズされます。その低熱膨張係数（～0.5ppm/K）は、高エネルギーレーザー照射下での寸法安定性を保証します。

ガリウムヒ素（GaAs） ：高速・光電子デバイス用ダイレクトバンドギャップ基板

GaAs基板は、高い電子移動度、ダイレクトバンドギャップ発光、効率的な光吸収を必要とするオプトエレクトロニクスデバイスに最適です。赤外LED、VCSEL、フォトダイオード、量子カスケードレーザー、多くの高周波RF部品はすべてGaAs基板に依存しています。ガリウムヒ素の最も一般的な用途は、衛星通信や5G電力増幅器などである。AlGaAsやInGaAsとの格子整合により、量子井戸や超格子を含む複雑な多層エピタキシャル構造に適している。

GaAs基板の典型的な製造方法には、半絶縁性タイプと導電性タイプがあり、抵抗率をRFまたは光アプリケーション用に設計することができる。配向は通常(100)であり、反位相境界を最小にするためのオフカットも可能である。標準直径は2、3、4、6インチです。これらの特徴はすべて、MBEまたはMOCVDエピタキシーに不可欠です。

ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）、タンタル酸リチウム（LiTaO₃）-非線形および電気光学基板

非線形光学材料の中でも、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムは、非線形光学、音響光学変調器、SAWフィルター、周波数倍増、高速集積フォトニクスにとって決定的に重要です。LiNbO₃の強力な電気光学効果により、LiNbO₃は電気通信や量子フォトニクスにおける変調器のプラットフォームとして好まれている。焦電特性と圧電特性は、センサー、赤外線検出器、精密周波数制御デバイスをサポートします。

市販の基板は通常、Xカット、Yカット、Zカット方向で入手可能です。光散乱とフォトリフラクティブ効果を最小化するには、純度と欠陥の制御が重要です。厚さは、光学プレートで0.5～100mm、ウェハーで300～700μmです。表面品質は片面または両面研磨仕上げで、導波路や相互作用領域では超低粗度であることが多い。

関連記事タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの比較：技術マニアのための包括的比較

炭化ケイ素 - SiC 高出力エレクトロニクス用の強靭な基板

SiCは、SiCMOSFET、ショットキーダイオード、パワーモジュール、高温センサーをサポートする、次世代のワイドバンドギャップ・エレクトロニクス用基板として最も評価されています。SiCのワイドバンドギャップと高熱伝導率により、デバイスは高電圧、高スイッチング速度、過酷な条件下での動作が可能になり、これは電気自動車、再生可能エネルギー・インバーター、航空宇宙エレクトロニクス、産業用電源に非常に不可欠です。

SiCウェーハは、4H、6H、半絶縁グレードがあり、欠陥低減のために純度が最適化されています。表面仕上げには、欠陥密度が極めて低いCMP研磨エピ・レディ・サーフェスが含まれます。標準サイズには、2インチ、4インチ、6インチ、そして急速に拡大している8インチがあります。配向性とマイクロパイプ密度は、デバイスレベルの性能にとって極めて重要な品質指標である。

表1：半導体および光学用途に使用される主な水晶基板の特性

表1は、日々の研究開発および生産の場面で参照しやすいように、上に示した基板のタイプ、純度、配向、ドーピング、表面仕上げの主な特徴をまとめたものです。より詳細な製品情報については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

結論

水晶基板は、現代のすべての半導体、光、光学技術を支える基本構造です。CMOSやMEMS用のシリコン、GaNエピタキシー用のサファイア、UV光学用の石英、高速オプトエレクトロニクス用のGaAs、電気光学変調用のLiNbO₃、ワイドバンドギャップ・パワーデバイス用のSiCなど、どの基板材料も、電子的、光学的、熱的な独自の利点を共有し、最終システムの能力と信頼性を直接形成します。