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固体デバイスとヘテロ接合

固体デバイスとヘテロ接合. ヘテロ接合の半導体デバイスへの応用 ダブルヘテロ構造（半導体レーザ， LED ） 多接合（タンデム）型太陽 電池 超高速電子デバイス 高電子移動度トランジスタ (HEMT) ヘテロ接合 バイポーラトランジスタ (HBT) ナノエレクトロニクス ( 挑戦的革新デバイス ). 光デバイスの基本構造： ダブルヘテロ構造. 活性層. electron. hole. p. i. n. 熱平衡状態. 光デバイスの基本構造： ダブルヘテロ構造. 電流注入時. 光デバイスの基本構造： ダブルヘテロ構造. エネルギー障壁.

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固体デバイスとヘテロ接合

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Presentation Transcript

  1. 固体デバイスとヘテロ接合 ヘテロ接合の半導体デバイスへの応用 ダブルヘテロ構造（半導体レーザ，LED） 多接合（タンデム）型太陽電池 超高速電子デバイス 高電子移動度トランジスタ(HEMT) ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT) ナノエレクトロニクス (挑戦的革新デバイス)

  2. 光デバイスの基本構造： ダブルヘテロ構造 活性層 electron hole p i n 熱平衡状態

  3. 光デバイスの基本構造： ダブルヘテロ構造 電流注入時

  4. 光デバイスの基本構造： ダブルヘテロ構造 エネルギー障壁 活性層のみに電子・正孔をたくさん溜めるのに有効 ⇒反転分布形成、光出力増大に 　　決定的に重要 エネルギー障壁 電流注入時

  5. 半導体ヘテロ構造の応用：多接合（タンデム）型太陽電池半導体ヘテロ構造の応用：多接合（タンデム）型太陽電池 • トップセルで青から緑を吸収し、ミドルセルで黄から赤を吸収し、残りの深紅から赤外光をボトムセルで吸収することで、太陽光スペクトルを有効利用 • 一つ一つの「セル」は、p-n接合を含む太陽電池として働かなくてはならないが、ただ３つ直列に重ねただけでは、３つのセルの最大出力の合計の出力は得られない。 • なぜなら、下のセルには上のセルで吸収されてしまった光は届かないこと • 直列接続なら電圧は足し算になるが電流は最も小さいセルで抑えられてしまう • セル間の接続がp-n接合の逆接続になってしまうからこの抵抗を小さくする工夫が必要（トンネル接合など）。（金属電極を挟むと光損失が増える。金属半導体接合も低抵抗とは限らない。） ３接合太陽電池の概念図

  6. ３種類の半導体を単純に積層すると．． 単純に３種類の半導体を重ねて 光吸収層を作ってみる p n i

  7. ３種類の半導体を単純に積層すると．． しかしこれだと光起電力による開放電圧が３つの和にならない。最もEgの大きい 半導体の開放電圧に制限されてしまう。 開放電圧を３つの和にするためには、 ３つの領域が、それぞれpn接合を有する太陽電池「セル」として働き、なおかつそれらを直列に接続する必要がある。

  8. 2接合タンデム(多接合)太陽電池セルのバンド図2接合タンデム(多接合)太陽電池セルのバンド図 n p n p

  9. 2接合タンデムセルのバンド図 ボトムセル トップセル ヘテロ接合かつpn接合としては逆方向であるため このままでは光生成キャリアを流せない（抵抗高すぎ）

  10. 解決策：トンネル接合の形成 ヘテロ界面付近を 高濃度ドーピング 空乏層狭くなり、さらに、 e-hトンネル効果で抵抗下がる p p n++ n p++ n

  11. トンネル接合のバンド図 伝導帯から価電子帯への トンネル伝導が起こる 高濃度ドーピングと 不純物＆欠陥準位も介した トンネル伝導⇒低抵抗化

  12. 情報処理・通信用デバイスとIT社会 • 通信(Telecommunication) • 光通信 (発光/受光素子・変調器) • 移動体通信 (高周波増幅素子・発振素子) • 情報処理(Information Processing) • コンピュータ (スイッチング論理素子・記憶素子) • 信号処理 (増幅・AD/DA) インターネット技術 • 高速化・大容量化への強いニーズ

  13. 超高速電子デバイスの必要性 • 超高速・大容量光通信技術 光ファイバ 半導体 レーザ 変調器 フォト ダイオード 電気信号 (電子デバイス) 電気信号 (電子デバイス) 電子デバイスの集積度は比較的低い 　　　　　→単体での高速性が直接効く • 情報処理技術 • 論理演算、メモリ、入出力：高密度集積回路 電子デバイスの集積度が高い 　　→単体での高速性だけでなく、消費電力、集積プロセス 　　　　の自由度、コスト等とのバランスが重要

  14. 高速デバイスの発展

  15. 移動通信の周波数帯域

  16. GaAs MESFETモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC) 単体トランジスタfT～10GHz 2GHz帯PHSに使用

  17. GaAsMMIC

  18. MPUの発展(シリコンLSI) 素子サイズ対素子数

  19. 2002by IBM シリコンLSIは集積回路形成プロセス技術、微細加工技術の 成功により集積密度と情報処理能力が指数関数的に発展中

  20. 技術の発達過程 バイオ インターネット エレクトロニクス 石油化学 造船 鉄鋼 繊維 ？ 技術レベル・成熟度 固体エレクトロニクス技術 インターネット 真空管 トランジスタの発明(47) ‘50 ‘60 ‘70 ‘80 ‘90 ‘00 ‘10

  21. 電子デバイスの歴史

  22. History of Electron Devices S. M. Sze, “SEMICONDUCTOR DEVICES: Physics and Technology, 2nd Edition”

  23. 各種固体電子デバイス • バイポーラトランジスタ(Bipolar Transistor) • ホモ接合型 • ヘテロ接合型 (HBT) • 電界効果型トランジスタ(Field Effect Transistor, FET) • MOSFET (Si) • MESFET (GaAs) • HEMT (InP,GaAs) • 超伝導 • ジョセフソン接合素子(J.J) • SQUID(超伝導量子干渉デバイス) • 量子効果・ナノデバイス • 共鳴トンネルダイオード,トランジスタ • 単一電子トランジスタ

  24. トランジスタのはたらき 電界効果型 負荷 iout ＋ vin 直流 電源 出力電流 バルブ iout=gm·vin 入力 電圧 　vin 相互コンダクタンス iout バイポーラ型 iin iout わずかな入力電圧の変化で 電源から流れ出る電流を おおきく増減させるイメージ iout=β·iin 電流増幅率 よりよいトランジスタに望まれる性質： ○小さい入力変化で大きな出力変化（高増幅率） ○入力変化から出力変化までの時間が短い（高速動作） ○入力電流は0に近い方が望ましい(入出力の分離) ○負荷が変動しても出力電流は変動しない（飽和特性）

  25. トランジスタの動作速度を制限する要因と高速化への指針トランジスタの動作速度を制限する要因と高速化への指針 定常状態 定常状態 入力電圧 変化 ポテンシャル 変化 出力電流 変化 　　　充電時間 （pn接合などの静電容量を 充電する時間） 走行時間 （キャリアが素子中を 走り抜ける時間） ●静電容量小 ●相互コンダクタンス大 高速化への 指針 ●走行距離短 ●キャリア速度大 • 電子が通過する距離を短くする⇒ 微細化 • 電子の走行速度が速い材料を使う⇒ GaAs, InAs

  26. 電子速度 移動度 電界 各種材料の移動度比較 ３００Kにおける移動度μ[cm2/(Vs)]

  27. 高速化のポイント チャネル材料： InGaAs チャネル長： 25nm 超高速HEMT (High Electron Mobility Transistor) 2002年(株)富士通研究所の報告例 素子構造 ゲート電極 ２次元電子ガス (チャネル) 電流遮断周波数fT～562GHz 透過電子顕微鏡 断面写真 平成14年3月25日株式会社富士通研究所独立行政法人通信総合研究所大阪大学大学院基礎工学研究科 http://pr.fujitsu.com/jp/news/2002/03/25.html

  28. InP系HEMTの高周波特性 ・R&DpHEMT, J.A.del Alamo Group, MIT, USA Best record holder at 2010 - 30-nm InAs/InP-HEMT:/=601/609GHz(IEDM2008) - 30-nm InAs/InP-HEMT:/=644/686GHz(EDL2010) - 50-nm InAs/InP-HEMT:/=557/718GHz(EDL2008) Kimetal.,EDL2010

  29. HEMTの周波数特性トレンド

  30. InPHEMT 集積回路の例 その他、300GHz以上のアンプや発振器も報告されている (a) 低雑音増幅器のチップ写真　　　　(b) 低雑音増幅器の雑音，利得特性

  31. InPHEMTの応用例：ミリ波イメージング装置

  32. MillimeterwaveforCruiseControl 76GHz,94GHz,125GHz KeepingCarsFromCRASHING!

  33. 超高速化合物半導体デバイスはどこに使われているか？超高速化合物半導体デバイスはどこに使われているか？ MobileCommunication OpticalCommunication III-VCompoundSemiconductors Ultrahighspeedswitching Microwave,Millimeterwave Gbit/s ⇒ Tbit/s GHz ⇒ THz RadioAstronomy SatelliteBroadcasting

  34. パワー応用 ・ 窒素物系化合物半導体 - GaN,AIN,InN - 大きな破壊電界、高い飽和電子速度、高電子密度

  35. Si基板上GaN系HEMT • リセス構造： • リセスはくぼみ（凹）のことで、エッチングによって • 半導体上に形成したくぼみの上に、ゲート電極を • 設置するトランジスタ構造。この構造によって、 • ソース/ゲート間の寄生抵抗を低減するとともに、 • 半導体表面を流れるリーク電流を低減することが • できる。その結果、トランジスタの高周波特性と • 耐圧を向上させることが可能。 http://www.oki.com/jp/Home/JIS/New/OKI-News/2005/10/z05068.html

  36. 超高速InP系HBT コレクタとエミッタのメサを 同時に微細化→fT～1THz達成 (応用物理　第71巻第3号,pp.2002年3月)

  37. SiGe系超高速HBT技術 SiGe HBTにおける遮断周波数と最大発振周波数の相関．1999 年から2001年の主な学会発表におけるデータを整理した．●は SiGe層の形成に選択エピタキシャル成長技術を用いた自己整合 プロセスで作成したもの．○は，SiGe層の形成に選択エピタキシ ャル成長技術を採用していないもの． 最近200GHzを越える遮断周波数も報告されている．

  38. 微細化による量子効果の発現 有効質量が小さいほど大きい寸法でもサイズ効果 が現れやすい。材料依存。 デバイス寸法 ＜～10nm 微細化 ～100nm 波動性 トンネル・共鳴トンネル 量子井戸 エネルギーの離散化 回折・干渉 Schrödinger方程式 電子輸送の考え方 • 粒子モデルに基づいた電流連続の方程式 • 拡散・ドリフトモデル • Newtonの運動方程式 • モンテカルロ法 粒子性 単電子効果 スピン バリスティック伝導 (無衝突・無散乱) 古典論 量子論

  39. デバイス応用への期待 波動性⇒トンネル効果応用デバイス、電子波干渉デバイス 電子の 粒子性⇒単電子デバイス ●単電子デバイス ●量子効果デバイス 低消費電力 多機能性 高速動作 多機能性 高集積 多値記憶，量子演算等

  40. 量子井戸、超格子構造の断面格子像(透過電子顕微鏡）量子井戸、超格子構造の断面格子像(透過電子顕微鏡） 結晶成長技術の発展： 分子線エピタキシー(MBE) 　　　　　　　　　　　　　　有機金属気相成長法(MOCVD)

  41. resonanttunnelinglevel 共鳴トンネルダイオード (ResonantTunnelingDiode) の電流電圧特性 A electron InGaAs AlAs RT B C D InGaAs/AlAsRTD B-C間で微分負性抵抗特性(NDR)が 観察される　⇒高周波発振、論理演算

  42. 量子カスケードレーザ　（サブバンド間遷移レーザ）量子カスケードレーザ　（サブバンド間遷移レーザ） 活性層 数十段のカスケード Jth～数kA－10kA/cm2 量子カスケードレーザのバンド図（活性層1周期あたり） ・　ユニポーラ （電子またはホールどちらか一方のみ）のレーザ ・ バンドギャップに無関係の幅広い波長設計が可能 中赤外領域以上の長波長の開拓、室温連続発振、テラヘルツレーザも実現 シリコン集積発光素子の原理的可能性

  43. エレクトロニクスの発展と限界突破への挑戦 • 新材料・新現象から新原理・新構造の創出 • 材料デバイスからシステムへ • エレクトロニクスのナノ化と量子効果 • エレ・メカ(MEMS),バイオ等との融合システムへ • 未開拓の情報通信・処理技術を求めて（深化と拡大）

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