2017年10月2日(月) 1限 8:45～10:15 IB015

未来材料・システム研究所 教授 天野 浩amano@nuee.nagoya-u.ac.jp

第1回 半導体工学

＊居室：IB館南棟263号室ですので、質問・意見があればメールで確

認してもらうのが宜しいでしょう。キャンパス内を歩いているときなど、気軽に声をかけてもらうのも良いです。＊オフィスアワー：メールでコンタクトしてください。

http://www.echo.nuee.nagoya-u.ac.jp/~amano/H29/SEMI/index.html

＊講義ノートの印刷物、またはPC・タブレット端末を持参してください。(できる限り前日までには最新版をアップロードします。)

＊関数電卓を持参してください。＊その他に手書きの計算等ができるノートを持参してください。

1/43

本日の予定

講義の概要

講義スケジュール

半導体デバイスの社会的役割

様々な半導体材料

半導体研究の愉しみ

2/43

テキスト

•単行本（ソフトカバー）: 260ページ•出版社: 森北出版; 第3版 (2013/11/1)•ISBN-10: 4627710437•ISBN-13: 978-4627710436•発売日： 2013/11/1

高橋 清、山田 陽一 共著

3/43

テキスト 参考書

半導体工学シリーズ② 半導体の物理[改訂版]西澤潤一編 御子柴宣夫著 培風館

定価 本体4,900円＋税ISBN:9784563032999 [4563032999]

Physics of Semiconductor DevicesSimon M. Sze and Ming-Kwei Lee

Wiley 4,760円ISBN: 978-0-470-87367-0

大学院前期レベルです。国際標準テキストです。

4/43

成績評価基準•レポート：20％＋前半試験：40%＋期末試験：40％で評価

成績評価基準

半導体工学講義の概要・特徴

超大容量通信http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/

h09/html/h09a01010201.htmlhttp://www.anritsu.com/ja-jp/products-solutions/products/fp-ld-series.aspx

http://eetimes.jp/ee/articles/1101/11/news103.html

出典： NASA/JPL/GSFC（http://photojournal.jpl.nasa.gov/mission/DMSP）

http://www.olinas.co.jp/maker-list/toyoda-gosei.html

一般照明http://chikyu-no-cocolo.cocolog-

nifty.com/blog/2011/08/post-1372.html

コンピュータ

“京”

http://kagakukan.toshiba.co.jp/manabu/sci_tech/kaitai/power.html

http://www.j-rep.com/ele/jrep-westcode.html

電力制御

5/43

講義スケジュールとシラバス

回数 日程 項目

１ 10月２日 序論 本講義の目指す概要 現代社会のキーコンポーネントとしての半導体デバイス 半導体デバイス・システムの省エネ・創エネ貢献 製造法概論結晶欠陥 結晶の次元

２ 10月16日 １章 量子論入門

３ 10月23日 ２章 固体の帯理論

４ 10月30日 ３章 統計力学の基礎

５ 11月6日 ４章 半導体と電導機構

６ 11月13日 ５章 p-n接合

７ 11月20日 ６章 ヘテロ接合と金属ー半導体接触

８ 11月27日 前半試験

９ 12月4日 ７章 トランジスタと集積回路-1１０ 12月11日 ７章 トランジスタと集積回路-2１１ 12月18日 ８章 半導体の光学的性質

１２ 12月25日 ９章 発光デバイスと受光デバイス

１３ 平成30年1月15日 10章 半導体の各種性質

１４ 1月22日 １１章 量子効果デバイス １２章 ２１世紀のエレクトロニクス 復習

１５ 1月29日 期末試験

＊予告なくPDFを変更する場合があります。

6/43

本講義で扱う集積回路

ITRS: International Technology Roadmap forSemiconductors

"The number of transistors incorporated in a chip will approximately double every 24 months."

--Gordon Moore, Intel co-founder(April 19, 2015 marked the 50th Anniversary of Moore's Law.)

http://www.intel.com/content/www/us/en/history/museum-gordon-moore-law.html 7/43

半導体産業新聞

本講義で扱うパワーデバイス

http://mitsui.mgssi.com/issues/report/r1211m_nagashima.pdf

パワーデバイスの基本動作

パワーデバイスの省エネ試算

回路の原理はわかりますか？

8/43

本講義で扱うパワーデバイス

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20130104/258753/

日経エレクトロニクス記事より

9/43

本講義で扱う太陽光発電素子

National Renewable Research Laboratoryhttp://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg

10/43

本講義で扱うLED

応用製品総売上

3.6兆円経済波及効果

3,500億円雇用創出

3.2万人

(富士キメラ総研推定)

日本の照明LED化率 50%(2013)70%(2020)

全発電量の約7％削減 （原子力発電所十数基分に相当）

（インフラを持たない）世界15億人を照らす—ノーベル財団発表文より—

白熱電球＜20 lm/W

蛍光灯＜80 lm/W

LED電球＞160 lm/W

NASA night vision

2005年 JST

11/43

半導体材料と半導体デバイス

半導体

Si系元素半導体Si，(SiGe)，Ge，C

化合物半導体GaAs、InP、GaNSiCAlGaAs、InGaP、InGaNなど

ダイオード，トランジスタ，FET，LSI，PV，PDなど

HEMT，HBT，LED，LD、Photovoltaic など

材料による分類 応用例

12/43

半導体の作り方

元素半導体

ウィキペディアより

最外殻電子(価電子) が４→sp3混成軌道を形成

13/43

ダイヤモンド(C)も半導体！

http://www.sei.co.jp/newsletter/2009/07/3a.html嘉数 誠、NTT技術ジャーナル2004.1、p.66

14/43

半導体の作り方

化合物半導体

ウィキペディアより

例：Ga+Asの最外殻電子を足すと８1分子と考えて平均すると４

15/43

複雑な化合物半導体，例えばCIGSも実は平均価数は同じ！

CuInGaSe２

（－2―1－1＋２×２）＝０

４を中心に考える

http://www.honda.co.jp/soltec/module/?from=rcount

＊Cuは2価なので４－２＊以下同様

Si系太陽電池に対するCIS太陽電池の外観上の特徴は?

16/43

Q:下記の3つは，全てSiを用いた太陽電池パネルである。何が違うか，答えなさい。

原子配列の違い

変換効率～20％ 変換効率～15％変換効率～10％

単結晶 多結晶 アモルファス

http://chukakunet.pref.kagoshima.jp/home/jyutakuka/kankyo/themes/taisaku/051.html

17/43

結晶構造の違い

閃亜鉛鉱構造 ウルツ鉱構造 ダイヤモンド構造

Q： 下の半導体材料のうち，安定な結晶構造を上の結晶構造から選びなさい。

Si GaAs InP GaN CuInGaS Ge

カルコパイライト構造

18/43

さまざまな半導体材料

Si Ge

InP

GaN

GaP

GaAs

Q: 色の違いは，材料の

どのような物性に起因するか?

バンドギャップ19/43

Q:下のグラフは太陽光スペクトルである。下記の問に答えなさい。

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00

500

1000

1500

2000

2500

放射

強度[W

/m

2/m

]

波長[m]

太陽光スペクトル(AM0.0)

物性定数

真空中の透磁率 1.26×10-8[H/m]真空中の誘電率 8.85×10-14 [F/m]真空中の光速度 2.998×108 [m/s]万有引力定数 6.67×10-11 [N･m2/kg2]プランク定数 6.626×10-34 [J･s]

素電荷 1.602×10-19 [C]ボルツマン定数 1.380×10-23 [J/K]

各種単結晶半導体のバンドギャップ[eV]Si 1.10Ge 0.67

GaAs 1.45ZnO 3.05GaN 3.45GaP 2.30InP 1.25

CdTe 1.44CuInSe2 1.0

(1)太陽電池用材料として期待されているCuInSe2の吸収端波長を求めなさい。

(2)なぜ，CuInSe2は，太陽電池用材料として期待されるのか？理由を考えなさい。

][2398.110602.11

10998.210626.61 19

834

meVhc

•シングルセルで高効率•吸収係数大きい•ストークスシフト小

20/43

半導体研究は何が楽しい?

新しいアイディアがひらめいたらデバイス設計する

結晶を作る

http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt092j/0811_03_featurearticles/08

11fa02/200811_fa02.html

評価する

http://www.lebra.nihon-u.ac.jp/analysis.html

加工する

http://www.densetsu-i.com/column/0004

デバイス構造を積層する

http://www.nanoanalysis.co.jp/business/case_example_49.html

デバイス構造を評価する

http://www.innovation-japan.jp/exhibitor_datail.php?entry_id=en10002

デバイス性能を評価する

http://ednjapan.cancom-j.com/news/2005/6/1358

21/43

さまざまな半導体デバイス

東芝/ソニーのコアプロセッサの内部写真

携帯電話基地局用超高周波増幅用素子

青色ＬＥＤ

Blu-ray用青紫色レーザ

Si

化合物半導体どのようにして製造するのか？

22/43

半導体デバイスの作り方 元素半導体 Siの例

Si単結晶の作り方 CZhttp://semrl.t.u-tokyo.ac.jp/supercom/35/35_4.html

直径30cm(12インチ)のSi単結晶

http://www.most.tohoku.ac.jp/sustain/sustain03.pdf#search='Siウェハ スライス LSIプロセス'

低いと多結晶高いと溶融

チョクラルスキー

Q:何故一旦細くするか? Q:原子レベルで平坦にするには?

23/43

http://www.simscid.co.jp/cgsim/cgsim_example.shtml

ウェハスライス

半導体デバイスの作り方 化合物半導体 GaAsの例

http://www.semiconductoronline.com/article.mvc/Huge-demand-for-six-in-

LEC-GaAs-pushes-VGF-pr-0002http://www.sz-

wholesaler.com/userimg/505/518sw1/gaas-wafer-292.jpg

垂直ブリッジマン（VGF）法

http://cnx.org/content/m32000/latest/

液体封止引上(LEC)法

バルク結晶成長

http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-9/EN/Leistungen/01-Facilities/02-

MOVPE/_node.html

http://www.fotonik.dtu.dk/English/Research/ResearchActivities/NanoDevices_research/Technology.aspx

http://www.mse.berkeley.edu/groups/dubon/research/

http://gorgia.no-ip.com/phd/html/thesis/phd_html/node4.html

この二つの方法に興味があれば、自己調査

有機金属化合物気相成長(Metalorganic Vapor

Phase Epitaxy)法

分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy)法

Q:異なる元素が何故1：1になる?

24/43

多層構造とは? ・・・白色LEDの例

LED電球に用いられている白色LEDの断面明視野STEM像

InGaN/GaN多重量子井戸活性層

n型GaN層

p型AlGaN電子ブロック層p型GaN層

貫通転位（刃状転位）1層の量子井戸の厚さは3.0nm

Q:何故ドーム型?25/43

半導体単結晶中の欠陥

種類次元による分類

点欠陥 ・・・ 空孔、格子間原子、不純物、置換原子など線欠陥 ・・・ 転位(刃状、螺旋、混合)

面欠陥 ・・・ 積層欠陥

Distribution of etch pitch density on Freiberger 100mm SI VGF substrate

measured on fields of 500 x 500 mm2. Here, average EPD equals 1326cm-2 and 95% of all

area has EPD below 5000cm-2.

http://journals.iucr.org/j/issues/2011/03/00/ks5277/ks5277fig1mag.jpg

X線トポグラフ200 mm Siウェハ

1,000℃60秒熱処理後(上)処理なし(下)

http://www.photonicsonline.com/article.mvc/Huge-demand-for-six-in-LEC-GaAs-pushes-VGF-pr-0001

X線トポグラフ50 mm GaNウェハ

TDD:106 cm-2

26/43

半導体単結晶中の欠陥がデバイス特性にどのような影響をもたらすか？

赤~赤外LED用材料は107 cm-2以上の貫通転位密度では光らない。

>109cm-2

Appl. Phys. Lett. 66. 1995, 1249.

青色(白色)LED用材料は109 cm-2

以上の貫通転位密度でも良く光る。

半導体中での電子・正孔の動きを理解することが必要！27/43

結晶には欠陥がある！ 点欠陥について

空孔(Vacancy)置換型不純物

(Impurity)

格子間不純物(Interstitial Impurity)

格子間原子(Interstitial)

置換原子

GaAsの例理想結晶

28/43

http://www.bss.phy.cam.ac.uk/~amd3/teaching/A_Donald/Crystalline_Solids_1.htmhttp://ms-laboratory.jp/zai/part2/part2.htm

転位線AB

転位線AB

Burger’s Vector刃状転位

螺旋転位混合転位

刃状

線欠陥 転位（らせん転位 刃状転位 混合転位）

混合

29/43

Q:ウルツ鉱構造結晶の転位に関する問題

左図は、六方晶ウルツ鉱構造の基本並進ベクトルa1,a2,a3,c、及びそれによって構成される単位格子を示している。(1)ある結晶面を(xyzd)とするとx+y+z=0であ

ることを確認しなさい。(2)(11-20)面をa面、(11-22)面をr面と呼ぶこ

とがある。図中にa面及びr面を書きこみなさい。

(3)c軸方向を転位線とする転位に関して、螺

旋転位、刃状転位、混合転位のバーガーズベクトルを示しなさい。

螺旋転位

刃状転位

混合転位

a面

r面

30/43

転位とヘテロ接合

＊例えばSiのpn接合のように、同種半導体を接合した構造をホモ接合、GaAsとAlGaAsの様に異種半導体を接合した構造をヘテロ接合と呼ぶ。

ヘテロ接合トランジスタの発明

Herbert Kroemer

http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Herbert_Kroemer http://en.wikipedia.org/wiki/File:Zhores_Alferov.jpg

2000年ノーベル物理学賞

Zhores Alferov

31/43

ヘテロ接合に基づく転位発生の起源

http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/onblab/image/EVA.gif

各種半導体材料の格子定数とバンドギャップ

＊ヘテロ接合の利用は、必然的に格子不整合の問題を生じさせる。

Q：上記のような格子定数の関

係のヘテロ接合において、上の層の膜厚を少しずつ増やすと、どのようなことが起きると考えられるか?

Q：意味?

32/43

ヘテロ接合に基づく転位発生の起源 Si上のSiGeの例

http://www.sp.phy.cam.ac.uk/~SiGe/Strain%20in%20Silicon%20Germanium%20(SiGe).html

http://userweb.eng.gla.ac.uk/douglas.paul/SiGe/misfit.html

Q：(1)単結晶Si及びGeの結晶構造は何か?(2)Si及びGeの格子定数は0.543 nm及び0.582 nmである。Siに対するGeの格子不整合度を求めなさい。 +7.2%

ダイヤモンド構造

33/43

面欠陥・・・積層欠陥

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/kap_5/backbone/r5_4_1.html

fccとhcpは紙一重

ABCABABCABCABC ABCABACABC

34/43

その他の欠陥の例

http://www.ritsumei.ac.jp/se/re/numailab/Crystal-09.pdf#search='結晶 表面 ダングリングボンド'

表面の原子は結合が途切れている。→ダングリングボンドと呼ぶ。

ダイヤモンド構造(111)面の例

35/43

どれくらいの大きさの構造を作れば量子効果が発現するか？

ドブロイ波長ph

][10602.1

][10109.9][10626.6

19

310

34

Cq

kgmsJh

Q:伝導帯電子の有効質量 mｅ=0.065×m0，伝導帯下端からのエネルギー50meVの電子の波長は?

=21.4nm

ドブロイ波長の説明できますか?

Louis-Victor Pierre Raymond, prince de Broglie

1892~1987

36/43

低次元量子構造はどのようにして作るのか？

http://www.elionix.co.jp/products/ELS/ELS7000.html

電子線描画装置

半導体フォトリソグラフィ装置

線幅5nmのパターン

•光源の波長程度(＞1m)

37/43

低次元構造の例

Semiconductors and Semimetals, Vol.24,p.464

GaP/GaAsP量子井戸の断面透過電子顕微鏡写真

23nm一層の厚みが電子のドブロイ波長程度

黒：GaP白：GaAsP

臨界膜厚以下で積層

38/43

三次元⇒二次元になると，電子はどうなるか?

伝導帯下端

価電子帯上端

GaAsPGaP GaP

量子井戸

電子

のエネル

ギー

GaAsP

x

z

y

x,y方向には自由に動くことができるが，z方向には制限される。

39/43

1次元構造 GaNナノワイヤ

InGaN

GaN

1次元ヘテロ接合

直径：30～100 nm

長さ：>1m

GaN

約10nm

（111）Si基板

GaNナノワイヤ

40/43

ゼロ次元量子ドット

零次元量子ドットレーザの断面透過電子顕微鏡像http://www.labs.fujitsu.com/News/1999/May/27.html

InAs

InGaAs

バンドギャップ EgInGaAs>EgInAs

10nm

41/43

低次元化の魅力の例

三次元バルク活性層レーザ：Jth=800 A/cm2

二次元量子井戸活性層レーザ：Jth=50 A/cm2

零次元量子ドット活性層レーザ：Jth=0? 無閾値?

電流密度

光出力

閾値電流密度

レーザ発振

自然放出 移動度

[c

m2 /V

s]絶対温度 [K]

3次元のGaAs結晶

AlGaAs/GaAsHEMT構造

42/43

まとめ

本講義に対する要望事項はありますか?

43/43