半導体材料化学

半導体材料化学は、金属と絶縁体の中間の導電率を持ち、その導電率が組成とドーピングによって精密に制御できる固体について研究する学問分野であり、電子デバイスや光電子デバイスの材料を提供する。

Definition

半導体とは、適度なバンドギャップを持つ固体であり、その電気伝導率は温度、特にドーピングによって数桁にわたって制御可能である。半導体材料化学は、このような固体の組成、欠陥、および製造について研究する。

Scope

このトピックでは、半導体固体の化学について扱う。具体的には、半導体を定義するバンドギャップ、真性伝導と不純物伝導、シリコンやゲルマニウムなどの単体半導体へのドナーおよびアクセプターによるドーピングである。また、調整可能な直接ギャップが発光に適した化合物半導体（III-V族およびII-VI族）や、デバイスグレードの材料を製造するための精製、結晶成長、薄膜堆積法にも及ぶ。

Core questions

• 半導体を定義するバンドギャップの範囲は何か？
• ドナーおよびアクセプタードーパントは、導電率とキャリアの種類をどのように制御するのか？
• 化合物半導体は、利用可能なバンドギャップの範囲をどのように広げるのか？
• デバイスグレードの半導体材料はどのように精製され、成長されるのか？

Key concepts

• バンドギャップ
• 真性半導体と不純物半導体
• ドナーおよびアクセプタードーピング
• III-V族およびII-VI族化合物
• 直接ギャップと間接ギャップ
• 結晶成長と精製

Key theories

真性伝導と不純物伝導

真性半導体では、伝導はバンドギャップを介して熱的に生成された電子-正孔対に依存する。ドナーまたはアクセプター原子によるドーピングは、浅い準位を導入し、選択された符号のキャリアを供給することで、組成によって導電率を制御可能にする。

化合物半導体とバンドギャップエンジニアリング

III族とV族、またはII族とVI族の元素を組み合わせることで、バンドギャップとその直接的または間接的な性質が組成によって調整可能な半導体が得られる。これにより、特定の電子機能や発光機能に適合した材料の設計が可能になる。

Mechanisms

ドナードーパントは伝導帯のすぐ下に電子を配置し、アクセプターは価電子帯のすぐ上に正孔を配置するため、わずかな熱エネルギーでそれらがイオン化され、キャリア濃度が固定される。直接ギャップを介したキャリアの再結合は光を放出し、これが半導体光源の基礎となる。

Clinical relevance

半導体材料はマイクロエレクトロニクスとオプトエレクトロニクスの基盤である。ドーピングされたシリコンはトランジスタや集積回路を形成し、化合物半導体は発光ダイオード、レーザーダイオード、フォトディテクタを形成する。そして、精密な化学的手法によって達成される純度と結晶の完全性がデバイス性能を決定する。

History

半導体に関する理解は、1947年のトランジスタの発明を契機に明確になった。この発明は、シリコンとゲルマニウムの制御されたドーピングによって、スイッチング可能で増幅機能を持つデバイスが作製できることを示した。その後、ゾーンリファイニングと単結晶成長法の開発により超高純度材料が提供され、化合物半導体は発光や高速エレクトロニクスの分野へと応用範囲を広げた。

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

ドーピングは、絶縁体のように見える結晶をどのようにして有用な導体に変えるのか？

ホストよりも価電子が1つ多い、または1つ少ない元素を微量添加すると、バンド端の近くに浅いエネルギー準位が導入される。これらは容易に活性化される電子または正孔を放出し、導電率を数桁向上させ、伝導が負または正のキャリアによるものかを決定する。

発光デバイスはなぜシリコンではなく化合物半導体を使用するのか？

シリコンは間接バンドギャップを持つため、電子-正孔再結合が光子を放出することは稀である。多くの化合物半導体は直接ギャップを持ち、再結合が効率的に光を生成するため、発光ダイオードやレーザーダイオードの材料として好まれる。