ダイヤモンド半導体の新しいレーザースライシング技術

May 16, 2023

シリコンベースの材料は現在、半導体分野における紛れもないリーダーです。 それでも、世界中の科学者は、次世代エレクトロニクスや高出力システムの優れた代替品を見つけようと積極的に努力しています。 興味深いことに、ダイヤモンドは、電気自動車や発電所における高速通信や電力変換などの用途に最も有望な材料の一つです。

半導体産業にとってダイヤモンドの魅力的な特性にもかかわらず、ダイヤモンドを効率的に薄いウェーハにスライスする技術が不足しているため、その用途は限られています。 その結果、ダイヤモンド ウェーハを 1 つずつ合成する必要があり、ほとんどの業界にとって製造コストが法外に高くなります。

今回、千葉大学大学院工学研究科の比田井博文教授率いる日本の研究チームが、この問題の解決策を発見した。最近の研究では 、2023年5月18日にオンラインで公開され、2023年6月にダイヤモンド＆関連マテリアルズに掲載された論文では、最適な結晶面に沿ってダイヤモンドをきれいにスライスし、滑らかなウェーハを製造するために使用できる新しいレーザーベースのスライス技術が報告されています。 彼らの研究は、千葉大学大学院理工学研究科の修士課程の坂本康介氏と、元博士課程の学生で現在東京工業大学の助教授を務める徳永大二郎氏の共著である。

ダイヤモンドを含むほとんどの結晶の特性は、さまざまな結晶面、つまり結晶を構成する原子を含む仮想の面に沿って変化します。 たとえば、ダイヤモンドは {111} 面に沿って簡単にスライスできます。 ただし、{100} のスライスは、{111} 劈開面に沿って亀裂も生じ、カーフロスが増加するため、困難です。

これらの望ましくない亀裂の伝播を防ぐために、研究者らは、材料内の狭い円錐状の領域に短いレーザーパルスを集中させるダイヤモンド加工技術を開発しました。 「集中したレーザー照射により、ダイヤモンドはダイヤモンドより密度の低いアモルファスカーボンに変化します。 したがって、レーザーパルスによって変更された領域では密度が減少し、亀裂が形成されます」と比田井氏は説明します。

これらのレーザーパルスを正方形の格子パターンで透明なダイヤモンドサンプルに照射することにより、研究者らは材料の内部に小さな亀裂が発生しやすい領域の格子を作成しました。 グリッド内の改質領域間の間隔と領域ごとに使用されるレーザー パルスの数が最適な場合、すべての改質領域は、{100} 面に沿って優先的に伝播する小さな亀裂を介して互いに接続されます。 その結果、鋭利なタングステン針をサンプルの側面に押し付けるだけで、{100} 表面を持つ滑らかなウェハをブロックの残りの部分から簡単に分離できます。

全体として、提案された技術は、ダイヤモンドを将来の技術に適した半導体材料にするための極めて重要な一歩となります。 この点に関して比田井氏は次のように述べています。「ダイヤモンドのスライスは高品質のウェーハを低コストで生産することができ、ダイヤモンド半導体デバイスの製造に不可欠です。 したがって、この研究は、電気自動車や電車の電力変換率の向上など、私たちの社会のさまざまな用途でダイヤモンド半導体の実現に近づくことになります。」

この誰もが欲しがるクリスタルが、より持続可能な未来を確実なものにするなど、高度な技術開発の探求において私たちに優位性をもたらすことを願っています。

- このプレスリリースはもともと千葉大学のウェブサイトに掲載されたものです