サファイア上のシリコン

シリコン・オン・サファイア（SOS）は、金属酸化物半導体（MOS）集積回路（IC）製造のためのヘテロエピタキシャルプロセスであり、サファイア（Al）上に成長したシリコンの薄い層（通常0.6μm未満 ）で構成されています。
₂お
₃)ウェハ。SOS は、 CMOS (相補型 MOS) テクノロジのシリコン オン インシュレータ(SOI) ファミリの一部です。

典型的には、高純度の人工的に成長したサファイア結晶が使用される。シリコンは通常、シランガス（SiH
₄) を加熱したサファイア基板上に形成します。サファイアの利点は、優れた電気絶縁体であるため、放射線による迷走電流が近くの回路素子に広がるのを防ぐことです。SOS は、現代の高密度アプリケーションで使用される非常に小さなトランジスタを製造することが困難であったため、商業生産において初期の課題に直面しました。これは、SOS プロセスにより、サファイアとシリコン間の結晶格子の不一致から転位、双晶、および積層欠陥が形成されるためです。さらに、界面に最も近いシリコンには、基板からのp 型ドーパントであるアルミニウムの汚染がいくらかあります。

1963年、ハロルド・M・マナセビットは、ノースアメリカン・アビエーション（現ボーイング）のオートネティクス部門で働いていたときに、サファイア基板上のシリコンのエピタキシャル成長を初めて記録しました。1964年、彼は同僚のウィリアム・シンプソンとともに、応用物理学ジャーナルに研究結果を発表しました。^[1] 1965年、CWミューラーとPHロビンソンは、RCA研究所でシリコンオンサファイアプロセスを使用してMOSFET （金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）を製造しました。^[2]

SOS は、もともと放射線に対する耐性があるため、航空宇宙および軍事用途で最初に使用されました。最近では、Peregrine Semiconductorによって SOS 処理と設計の特許取得済みの進歩が遂げられ、高性能無線周波数 (RF) アプリケーション向けに SOS を大量に商品化できるようになりました。

SOS テクノロジーの利点により、研究グループは、このテクノロジーの恩恵を受け、以下の分野で最先端技術を進歩させるさまざまな SOS 回路やシステムを製造することができます。

• アナログ-デジタル変換器（ナノワットのプロトタイプはイェール大学e-Labで製造された）^{[4] [5]}
• モノリシックデジタルアイソレーションバッファ^[6]
• SOS-CMOSイメージセンサーアレイ（ダイの両側から同時に光を変換できる最初の標準CMOSイメージセンサーアレイの1つは、Yale e-Labによって製造されました）^[7]
• パッチクランプアンプ^[8]
• エネルギーハーベスティングデバイス^[9]
• ガルバニック接続のない3次元（3D）統合
• チャージポンプ^[10]
• 温度センサー^[9]
• RCA 1802などの初期のマイクロプロセッサ

シリコンオンサファイア圧力トランスデューサー、圧力トランスミッター、温度センサーダイアフラムは、1985年以来、Armen Sahagenによって特許取得済みのプロセスを使用して製造されています。 ^[11]高温環境での優れた性能がこの技術の進歩に貢献しました。このSOS技術は世界中でライセンスされています。英国のESIテクノロジー社は、シリコンオンサファイアの優れた機能を活用した幅広い圧力トランスデューサーと圧力トランスミッターを開発しました。^[12]

Peregrine Semiconductor は、 SOS テクノロジを使用して、RF スイッチ、デジタル ステップ減衰器 (DSA)、位相ロック ループ(PLL) 周波数シンセサイザー、プリスケーラ、ミキサー/アップコンバータ、可変ゲイン アンプなどのRF 集積回路(RFIC)を開発しました。これらの RFIC は、携帯電話やセルラー インフラストラクチャ、ブロードバンド コンシューマーおよびDTV、テストと測定、産業公共安全、耐放射線航空宇宙および防衛市場などの商用 RF アプリケーション向けに設計されています。

ヒューレット・パッカードは、特にHP 3000シリーズのコンピュータにおいて、一部のCPU設計にSOSを採用しました。^[13]

1970年代に生産されたサファイア上のシリコンチップは、オールシリコンのチップよりも性能が優れていることが証明されましたが、その代償として歩留まりがわずか9%に低下しました。^{[14] [15]}

MOS デバイスの製造にサファイア基板上にシリコンをエピタキシャル成長させるには、サファイアとシリコンの格子の不一致から生じる結晶欠陥を軽減するシリコン精製プロセスが必要です。たとえば、Peregrine Semiconductor のSP4Tスイッチは、最終的なシリコンの厚さが約 95 nm の SOS 基板上に形成されます。ポリシリコン ゲート スタックの外側の領域では、ポリ酸化によってシリコンが凹み、さらに側壁スペーサー形成プロセスによって約 78 nm の厚さまで凹みます。^{[引用が必要]}

• シリコンオンインシュレータ
• 放射線耐性強化

• Culurciello, Eugenio (2009)。『シリコン・オン・サファイア回路とシステム、センサーとバイオセンサーのインターフェース』McGraw Hill。ISBN 978-0-07-160849-7. OCLC  459797166.
• Shirriff, Ken (2023年12月). 「ビンテージのヒューレット・パッカード製フロッピードライブ内部の透明チップ」。2024年2月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年2月4日閲覧。