半導体の基礎を解説！エピタキシャル成長(Epi成長)とは？

2024年7月21日2026年10月27日

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エピタキシャル成長（Epi成長）は、半導体の結晶層を設計するために使う技術です。単に薄い膜を付けることとは違い、下地の結晶との方位関係が重要になります。ここでは、定義、代表方式、材料と品質管理を分けて説明します。

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エピタキシャル成長は結晶方位を引き継ぐ成長

エピタキシャル成長とは、結晶基板などの下地に対し、一定の結晶方位関係をもつ結晶層を成長させることです。例えばSiウェハへ単結晶Si層を形成することで、基板と表面層で電気的な特性を分けて設計できます。Siltronicのエピタキシャルウェハの説明も、基板とエピ層の特性を独立に選ぶ目的を示しています。

同種の材料を成長させる場合だけでなく、異なる材料を積層する場合もあります。異種材料では、結晶格子の違い、熱膨張、界面反応などを考慮します。下地に膜が付いたことだけで、望む結晶性や界面ができたとは判断できません。

ホモエピタキシーとヘテロエピタキシー

同じ材料を基板上へ成長させるものをホモエピタキシー、異なる材料を使うものをヘテロエピタキシーと呼びます。格子定数が完全に一致しなければ、エピ成長できないという意味ではありません。格子不整合に伴う歪みや転位などを管理し、目的に合う膜厚と構造を設計します。

NIMSは、分子線エピタキシーを使う格子不整合系の半導体ヘテロ構造や、表面・界面・歪みの制御を研究しています。これは、異種材料を使えば必ず欠陥のない高品質膜になるという説明ではなく、材料の組合せと界面を評価する必要性を示す例です。出典：NIMS 半導体エピタキシャル構造グループ。

代表的な成長方式は原料供給と反応が違う

方式	考え方	読み違えないポイント
気相成長・MOVPE	気体原料や有機金属原料などを供給し、基板表面の反応を利用	原料と温度、供給条件は材料系で異なる
MBE（分子線エピタキシー）	超高真空中で原料の原子・分子のビームなどを基板へ供給	エピ成長全体が同じ蒸着方式という意味ではない
HVPE（水素化物気相成長）	気相原料の反応による結晶成長。GaN基板などに利用	ここではGaN基板向けのHydride方式を扱う。速度・面積・品質は条件で評価
液相エピタキシー	液相から基板上へ結晶を成長させる方式	すべてのエピ成長を気相や真空だけに限定しない

HVPEはHydride Vapor Phase Epitaxyの略です。サイオクスの技術概要は、MOVPEとHVPEを分け、HVPEをGaN基板やテンプレート向けの成長技術として紹介しています。本記事では、このGaN基板などを対象にする水素化物気相成長としてHVPEを説明します。

MBEでは、原料供給、基板温度、真空と表面の状態を管理します。デラウェア大学の装置説明は、超高真空の結晶成長と原子層レベルの組成制御を説明しています。ただしエピ成長全体を、常に一原子層ずつ完成させる操作や、欠陥を自動的になくす処理と定義することはできません。

膜厚・組成・ドーピングを目的に合わせる

エピ層は、膜厚、材料組成、不純物濃度と分布、結晶性、表面・界面を合わせて設計します。膜厚だけでデバイスの性能が決まるわけではありません。成長時間と速度が膜厚に関わりますが、速度自体が温度や供給、表面状態によって変わる場合もあるため、実測と対応させます。

Si系では、トランジスタの必要部分に結晶層を形成する選択エピタキシーなども使われます。ASMのエピタキシー技術紹介は、SiやSiGe等の材料、選択成長と成長中のドーピングを説明しています。原料の供給条件から膜の性質、さらに素子の電気特性までをつないで検証することが重要です。

成長前後に確認する品質と安全

成長前は、基板の材料・結晶方位・表面の酸化や汚染、必要な前処理を確認します。成長中は材料系に応じて温度、原料供給、圧力などを管理し、成長後に膜厚分布、組成、表面粗さや結晶欠陥を評価します。測定方法と試料位置を記録し、装置や材料の変更前後で比較します。

確認するのは必要な結晶層が、必要な場所と品質でできたかです。薄膜があること、膜厚が合うこと、結晶品質や電気特性が要求を満たすことを、それぞれ分けて確認します。

高温、真空、反応性や有害性を持つ原料など、管理対象は方式と材料で変わります。実際に使用する原料のSDS、ガス供給・排気・除害、装置の保護機能と承認された作業手順に従います。高純度の原料を使うことだけで、作業や排出が安全になるとは判断できません。

用途はエピ層と完成製品を分けて理解する

エピ成長は、半導体の電子デバイスや発光・受光素子などで必要な結晶層を作るために使われます。ただし、どの製品のどの層に使うかは構造によります。光通信向けの半導体素子の結晶成長と、石英ガラスの光ファイバーを作る工程は同じではありません。関連する材料加工や配線を含む製造全体は半導体製造工程を参照してください。