QST基板

QST基板（キューエスティーきばん、）は、主として窒化ガリウム（GaN）のエピタキシャル成長に用いるために開発された複合材料型の半導体基板である。QSTはQromis Substrate Technologyの略称で、米国のQromis, Inc.によって開発された。代表的な構造では、多結晶窒化アルミニウム（AlN）を主成分とするコアの上に複数の機能層を形成し、最表面に単結晶Si(111)層を設ける。

GaNやAlGaNと通常のシリコン基板との間に存在する熱膨張係数の差を小さくすることを主目的として設計されており、GaN-on-Siで問題となるウェハーの反りやクラックを抑え、より厚いGaN系エピタキシャル層の形成を可能にすることを狙った技術である。この特性から、GaNパワーデバイスの高耐圧化と200 mm・300 mmへの大口径化を両立させるためのエンジニアード基板の一つとして研究・商用化が進められている。

QST基板はGaNそのものからなる自立GaN基板とは異なり、GaNをエピタキシャル成長させるための下地基板である。QST基板上にGaN層を形成したウェハーはGaN-on-QSTなどと呼ばれる。

150 mmおよび200 mm基板は既に商用供給されており、台湾のVanguard International Semiconductor（VIS）は2022年に200 mm QST基板を用いた650 V級GaNプロセスの量産を開始した。一方、300 mm QST基板については信越化学工業が2024年にサンプル供給を開始し、2025年にはimecでGaNパワーデバイスへの適用が報告されたが、少なくとも2025年時点では本格量産に向けた開発段階にあった。

背景

GaNパワー半導体と基板 GaNはワイドギャップ半導体の一つで、シリコンと比較して高い絶縁破壊電界、高い電子移動度、高温動作特性などを持つ。そのため、高効率・高周波のパワー半導体や高周波デバイスへの利用が進められている。

GaN単結晶そのものを大型基板として製造することは技術的に難しく、コストも高いため、GaNデバイスの多くでは別の材料からなる基板上へGaN結晶をエピタキシャル成長させるヘテロエピタキシャル構造が用いられている。基板材料としてはシリコン、炭化ケイ素（SiC）、サファイア、自立GaNなどが利用される。

GaN-on-Siは安価で大口径のシリコンウェハーと既存の半導体製造設備を利用できる利点があり、GaNパワーデバイスの低コスト化に適した方式の一つである。一方、GaNおよびAlGaNとシリコンでは格子定数と熱膨張係数が異なり、GaN成長温度から室温へ冷却する際に大きな応力が生じる。

特に高耐圧GaNデバイスでは、電圧を保持するために厚いGaN/AlGaNバッファ層が必要となる。そのためGaN-on-Siではウェハーの反りやクラックが大きくなり、高耐圧化と大口径化を同時に行うことが難しくなる。

熱膨張係数整合型基板 QSTはこの問題に対し、基板の機械的・熱的性質そのものをGaN側へ近づけるという方法を採る。

QSTでは、代表的には多結晶AlNを主体とするセラミックコアが使用される。AlNの熱膨張係数はシリコンよりGaNやAlGaNに近いため、GaN成長時の熱応力を低減できる。

一方、エピタキシャル成長面には単結晶Si(111)層を設けることにより、従来のGaN-on-Siで蓄積されたMOCVDなどの成長技術を利用できるようにしている。

このためQSTは、異なる材料の特性を組み合わせて所望の基板特性を得るエンジニアード基板（engineered substrate）の一種に分類される。

構造 QST基板には複数の世代・仕様が存在するが、GaN用として報告されている代表的な構造は、下側から概ね、

多結晶AlNを主体とするCTE整合型セラミックコアコアを被覆する封止・機能層埋め込み酸化膜などの設計層単結晶Si(111)表面層

で構成される。

EE Times Japanによる2023年の報道では、信越化学が製造するQST基板のコア部は主としてAlNからなり、厚さは約700 μmである。コア上の設計層、酸化膜、Si(111)表面層などは合わせて数μm程度とされる。

GaNは最表面のSi(111)層を種としてMOCVDなどにより成長させる。したがって、QSTはGaNとの格子不整合そのものを完全に解消するものではない。QSTの主要な目的は、基板全体の熱膨張挙動をGaN/AlGaNへ近づけ、冷却時に発生する熱応力を抑えることにある。

開発

Quora Technologyの設立 QSTの開発企業は2015年に米国で設立されたQuora Technologyである。創業者にはCem BasceriやVladimir Odnoblyudovらが含まれ、GaNおよびワイドギャップ半導体材料の研究開発経験を持つ技術者らによって設立された。

初期にはQSTはQuora Substrate Technologyの略称として用いられていた。Quora Technologyは2017年にQromisへ社名を変更し、その後QSTはQromis Substrate Technologyとして展開されている。

QromisはQSTに関する基板構造や製造法について複数の特許を取得している。

150 mm基板 Qromisは米Kyma Technologiesなどと共同でQST上へのGaN成長を進めた。

2016年には150 mm QST基板を用いたGaNテンプレートが報告され、従来のGaN-on-Siと比較して厚いGaN層を成長させても基板の反りを抑えられる可能性が示された。

200 mm化 2017年にはGaN-on-QST技術が200 mmへ拡大された。Kyma TechnologiesはQromisが供給した200 mm QST上のGaN層に対し、HVPE法によってさらに厚いGaNを形成する実証を行った。

この時期からQSTは、横型GaN HEMTだけでなく、厚膜GaNや将来の縦型GaNデバイス、自立GaN基板製造のための種基板としても検討されるようになった。

imecによるデバイス実証

200 mm p-GaN HEMT 2018年、ベルギーの研究機関imecとQromisは、200 mm QST基板上にGaNエピタキシャル構造を形成し、imecの200 mmシリコンパイロットラインを用いてエンハンスメント型p-GaNゲートHEMTを製造した。

試作デバイスでは約2.8 Vのしきい値電圧が報告された。imecはQSTについて、従来の200 mm GaN-on-Siが主として100 - 650 V級に用いられていたのに対し、900 - 1200 V級へGaN技術を拡張するための候補基板と位置づけた。

この実証はQST上にGaN結晶を成長できることだけでなく、200 mmシリコン半導体用パイロットラインでQSTウェハーを処理し、GaNパワーデバイスを製造可能であることを示した。

1800 V超の破壊電圧 2021年、imecとAIXTRONは200 mm QST基板上に1200 V用途向けのGaNエピタキシャル構造を成長させ、ハードブレークダウン電圧が1800 Vを超えたと発表した。

imecによれば、通常の200 mm GaN-on-Siでは650 Vを超える耐圧を実現するために必要な厚いGaNバッファを形成するとウェハー反りが増加しやすい。QSTを使用することで、標準的な200 mm基板厚を維持しながらより厚いGaNバッファを形成できる可能性が示された。

商用化

Vanguard International Semiconductor 台湾のファウンドリ企業Vanguard International Semiconductor（VIS）は2018年頃からQromisと協力して200 mm GaN-on-QSTプロセスの開発を進めた。

2022年、VISは200 mmウェハーを使用する0.35 μm、650 V級GaN-on-QSTプロセスを量産段階へ移行した。

これによりQSTは研究機関での試作基板にとどまらず、商用ファウンドリで実際に量産プロセスへ用いられる基板となった。

2026年、VISはTSMCからGaN-on-Si技術のライセンスも取得し、既存のGaN-on-QSTとGaN-on-Siを用途に応じて使い分ける方針を示したと報じられた。

信越化学工業によるライセンス取得 2019年、信越化学工業はQromisからQSTに関するライセンスを取得した。

信越化学はその後150 mmおよび200 mm QST基板の製造・供給体制を構築し、QST単体に加えてGaNをエピタキシャル成長したGaN-on-QST製品の事業化を進めた。

なお、QST技術の開発者はQromisであり、信越化学はライセンスを受けてQST基板の開発・製造・販売を行う企業である。

300 mm化

開発 GaNパワーデバイスを300 mm化することは、既存の300 mm CMOS製造設備を利用し、一枚のウェハーから得られるデバイス数を増加させることで製造コストを低減する手段として期待されている。

しかしウェハー径が200 mmから300 mmへ大型化すると、基板の反り、平坦度、機械強度などに対する要求が厳しくなる。

信越化学は200 mm QSTを単純に大径化するだけでは300 mmウェハーに必要な平坦度を得ることが難しく、セラミックコア自体の平坦化や製造工程の改良が課題であったとしている。

2024年9月、信越化学は300 mm QST基板の開発に成功し、顧客向けサンプル供給を開始した。

imecの300 mm GaNプログラム 2025年、imecは300 mmウェハーを使用したGaNパワーデバイス研究開発プログラムを開始した。

同プログラムでは、比較的低電圧の用途では300 mm Si(111)基板を使用する一方、650 V以上の高耐圧GaNの研究には300 mm QST基板を使用する方針が示された。

2025年には信越化学製300 mm QST基板上にimecがGaN HEMT構造を形成し、800 Vを超える破壊電圧が得られたと報じられた。

一方、同時期の報道では信越化学は300 mm QST基板について「量産化に取り組む」としており、少なくとも2025年11月時点では300 mm品の量産化に取り組んでいる段階であった。

高耐圧GaNへの応用 QSTの主要な用途として想定されているのが、650 Vを超える高耐圧GaNパワーデバイスである。

GaN-on-Siでは耐圧を高めるためGaNバッファ層を厚くすると熱応力によるウェハー反りが大きくなるため、1200 V級ではSiCなどが有力な基板・デバイス材料として用いられている。

QSTはGaNとの熱膨張係数整合を改善することで、200 mm以上の大口径ウェハー上へ厚いGaNエピタキシャル層を成長させ、GaNの適用電圧範囲を650 V超、さらには1200 V級へ拡張することを狙っている。

信頼性評価高耐圧を一時的に実証するだけでなく、QST上GaNデバイスの長期信頼性についても評価が進められている。

2025年のCS MANTECHでは、約9 μmのGaNバッファ層を持つ200 mm QST上の1200 V級p-GaN HEMTについて、高温逆バイアス試験（HTRB）が報告された。

1200 Vを印加した1000時間の試験後も主要な電気特性に大きな変化が見られなかったとされ、高耐圧GaN-on-QSTデバイスの信頼性評価が長時間試験の段階へ進んでいることが示された。

熱特性 QSTには絶縁性の高い酸化物層などが含まれるため、デバイス動作時の熱放散も研究対象となっている。

2026年に『IEEE Electron Device Letters』へ掲載された研究では、200 mm QST上の650 V GaN HEMTとGaN-on-Siデバイスの自己発熱特性が比較された。

ラマン温度計測と3次元有限要素解析による評価では、大面積QSTデバイスの熱抵抗が比較対象のGaN-on-Siより低くなる結果が報告されている。

縦型GaNデバイス QSTは横型HEMTだけでなく、縦型GaNデバイスの研究にも用いられている。

縦型GaNデバイスでは電流を基板面に垂直な方向へ流すため、高耐圧・大電流化に有利である。一方で、デバイスを形成するためには数μmから数十μm以上の高品質な厚膜GaNが必要となる。

QSTは厚いGaNを大口径基板上へ成長させやすい特徴を利用し、縦型GaN用のテンプレートとして研究されている。

2023年に『Scientific Reports』へ掲載された研究では、200 mm QST上へ約8.5 μm厚のGaN構造を形成し、約5 μmのドリフト層を持つ縦型GaNデバイス向け構造が評価された。

ダイオード試験構造では750 Vを超える耐圧が得られた一方、転位密度や金属不純物の拡散などが耐圧を制限する要因となることも報告された。

この研究はQSTによる大口径厚膜GaNの可能性を示すと同時に、結晶欠陥や不純物制御などの課題が残ることを示した。

Crystal Film Bonding 2023年、信越化学工業と沖電気工業（OKI）は、QST上に形成したGaN機能層をQST基板から剥離し、別の基板へ接合する技術を発表した。

OKIはこの技術をCrystal Film Bonding（CFB）と呼んでいる。

CFBでは、QSTの大口径化およびGaN成長時の低反り特性を利用してGaN機能層を形成した後、そのGaN層のみをQSTから剥離し、導電性基板や放熱性に優れる基板へ移すことができる。

QST自体は絶縁性の層を含むため、基板を通して垂直に電流を流すデバイスでは制約となる場合がある。GaN層を別の導電性基板へ移すCFBは、この問題を回避して縦型GaNデバイスへ利用する方法の一つとして研究されている。

CFBはOKIが開発した接合技術であり、QSTそのものを構成する技術ではない。

AIデータセンター向け用途 GaNパワーデバイスの用途の一つとして、データセンターやAIサーバーにおける電力変換効率の向上が挙げられている。

AI向けCPUやGPUでは消費電力と供給電流が増加しており、サーバー内のAC/DCおよびDC/DC電力変換における損失低減が重要となっている。

imecの300 mm GaN研究プログラムでは、CPU・GPU近傍のPoint-of-Load電源などが将来用途として挙げられている。

一方、低電圧用途では300 mm GaN-on-Siも有力であり、QSTが主として期待されているのはGaN-on-Siで熱応力が問題となりやすい高耐圧領域である。

他の基板技術との関係

GaN-on-Si GaN-on-SiはQSTと同じく大口径化に適したGaNプラットフォームである。

シリコン基板は低価格で、大口径ウェハーの供給網と300 mm半導体製造設備が既に広く普及している。そのため低～中耐圧GaNではGaN-on-Siが有力である。

一方、650 Vを超えてGaN層を厚くする場合にはGaNとSiの熱膨張係数差がウェハー反りの原因となる。QSTはこの問題を緩和するために開発された代替基板の一つである。

SiC 炭化ケイ素基板は高い熱伝導率を持ち、高周波GaNデバイスではGaN-on-SiCとして広く利用される。

またSiC自体を用いたSiCパワーデバイスは650 Vから1200 V以上の高耐圧領域で実用化が進んでいる。

QSTを用いたGaN技術は、従来GaN-on-Siが不得意としていた高耐圧領域へGaNを拡張し、SiCパワーデバイスなどが使用される電圧領域への応用を目指す技術の一つである。

自立GaN基板 GaN単結晶からなる自立GaN基板はGaNエピタキシャル層との材料整合性に優れるが、大口径化が難しく、シリコンなどと比較して高価である。

QSTはGaNそのものではなく複合材料基板を使用することで、200 mm、300 mmといった大口径化を容易にすることを狙っている。

その他のエンジニアード基板 GaN向けのエンジニアード基板はQSTだけではない。

imecは2026年、GaN層や単結晶シード層を別の支持基板へ転写した構造など、複数のエンジニアード基板方式を高耐圧GaNの候補として挙げている。

その一例としてSoitecが開発するSmartGaNなどがあり、GaNの大口径化ではQST、GaN-on-Si、GaN-on-SiC、自立GaN、各種エンジニアード基板が用途やコストに応じて競合する。

技術的課題 QSTは熱膨張係数の不整合を低減する一方、GaNデバイス製造に関するすべての問題を解消するものではない。

結晶欠陥 QST表面の成長面にはSi(111)を使用するため、GaNとSiとの格子不整合は残る。

その結果、GaN層には貫通転位などの結晶欠陥が形成される。2023年の200 mm厚膜GaN研究では、総転位密度が10 cm台であることが報告され、転位低減が縦型GaNデバイスの性能向上における課題として示された。

不純物縦型GaN向け研究では、金属不純物などが貫通転位に沿ってGaN内部へ拡散し、逆方向リーク電流や絶縁破壊特性に影響する可能性が報告されている。

ウェハー平坦度 QSTは低反りを特徴とするが、300 mm化では要求されるウェハー平坦度が一段と厳しくなる。

信越化学によれば、300 mm QSTではセラミックコア自体の平坦化や積層工程の精度向上が必要となった。

コスト QSTは通常の単結晶Siウェハーとは異なり、セラミックコア、複数の機能層、単結晶表面層を組み合わせて製造するため、一般的なSi基板より複雑な製造工程を必要とする。

GaN-on-Siとの競争では、QSTによる高耐圧化・低反りなどの利点と基板製造コストとのバランスが商用化における課題の一つとなる。

製造サイズと開発状況公開情報から確認できる主な開発・商用化状況は以下の通りである。ウェハー径・技術状況主な実績150 mm QST商用供給QST初期のGaNエピタキシャル成長、製品供給200 mm QST商用供給imecなどによる高耐圧GaN研究200 mm GaN-on-QST商用量産VISが650 Vプロセスを2022年から量産1200 V級GaN-on-QST研究・信頼性評価1800 V超の破壊電圧、1000時間HTRB評価縦型GaN研究開発200 mm QST上で厚膜GaN・縦型デバイスを試作300 mm QSTサンプル供給・量産開発信越化学が2024年にサンプル供給開始300 mm GaN-on-QST研究開発imecが800 V超のデバイス構造を実証

年表年出来事2015年米Quora Technologyが設立され、QSTの開発を進める。2016年150 mm GaN-on-QSTの開発が報告される。2017年200 mm GaN-on-QSTテンプレートを実証。Quora TechnologyがQromisへ改称。2018年imecとQromisが200 mm QST上でp-GaN HEMTを試作。2019年信越化学工業がQromisからQST技術のライセンスを取得。2021年imecとAIXTRONが200 mm QST上のGaN構造で1800 Vを超える破壊電圧を実証。2022年VISが200 mm、650 V GaN-on-QSTプロセスを量産化。2023年信越化学とOKIがQSTとCFB技術を組み合わせたGaN層転写技術を発表。2023年200 mm QST上の厚膜GaNを用いた縦型デバイス研究が『Scientific Reports』に掲載。2024年信越化学が300 mm QST基板を開発し、サンプル供給を開始。2025年1200 V級GaN-on-QST HEMTについて1000時間の高温逆バイアス試験結果が報告される。2025年imecが300 mm GaN研究プログラムを開始し、高耐圧GaN向けに300 mm QSTを採用。2025年300 mm QST上のGaN HEMT構造で800 Vを超える破壊電圧を実証。2026年科学技術振興機構研究開発戦略センターがGaNの200 mmから300 mmへの大口径化を支える技術の一つとしてQST基板を取り上げる。2026年QST上GaN HEMTとGaN-on-Si HEMTの熱特性比較研究が報告される。

脚注

出典

QST基板

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