アモルファス半導体

アモルファス半導体の基礎知識

アモルファス半導体とは、原子が規則的に配列していない非晶質構造を持つ半導体のことを指します。結晶性半導体とは対照的に、原子配列が無秩序であるため、電子状態や物性に大きな違いが見られます。この特異な性質が、様々な電子デバイスへの応用を可能にしています。

結晶性半導体との比較

結晶性半導体では、原子の周期的な配列によってエネルギーバンドが形成され、価電子帯、伝導帯、そしてそれらを隔てる禁制帯が明確に区別されます。しかし、アモルファス半導体では、原子のランダムな配置により、バンド端がぼやけ、明確なエネルギーギャップが形成されません。

この非周期的な原子配列は、電子の挙動に大きな影響を与えます。結晶中では電子は結晶全体に広がる波動関数として存在しますが、アモルファス状態では、電子の波動関数が空間的に局在する「アンダーソン局在」という現象が起こります。これは電子の移動度を低下させ、電気伝導度に影響を与えます。

さらに、アモルファス半導体には「ダングリングボンド」と呼ばれる不対電子を持つ原子が多く存在します。これらのダングリングボンドは、フェルミ準位近傍に多くのエネルギー準位を生成し、光学的特性と電気的特性のずれを引き起こします。光学的には、局在準位間の遷移が可能となるため、電気的なエネルギーギャップよりも小さな見かけのギャップが生じます。

アモルファス半導体の光学特性

アモルファス半導体の光学特性は、結晶性半導体とは大きく異なります。原子配列のランダム性により、フォノンを介さない直接遷移の確率が増加し、光吸収係数が上昇します。これは、太陽電池など光電変換デバイスへの応用において重要な特性です。

アモルファス半導体の材料と応用例

様々な材料がアモルファス半導体として利用されています。代表的な例として、以下のものがあります。

アモルファスシリコン (a-Si)

アモルファスシリコンは、最も広く研究され、応用されているアモルファス[半導体]]です。結晶性シリコンに比べてバンドギャップが広く、光吸収係数が高いという特徴があります。そのため、薄膜[[トランジスタ]や太陽電池などの製造に多く用いられています。

薄膜[トランジスタ]: 液晶ディスプレイや有機ELディスプレイのスイッチング素子として使用されています。
太陽電池: 安価で製造が容易なため、太陽光発電システムに広く利用されています。

その他のアモルファス半導体

アモルファスAs2S3、セレン、アモルファスAs-S-Te-Geなどのカルコゲン化物系アモルファス半導体も、スイッチングデバイスやメモリデバイスへの応用が研究されています。これらの材料は、独特のスイッチ特性やメモリ特性を示すため、次世代の電子デバイス開発に期待が寄せられています。

まとめ

アモルファス半導体は、その独特の非晶質構造により、結晶性半導体とは異なる魅力的な特性を示します。これらの特性を利用することで、様々な電子デバイスへの応用が期待されており、今後も更なる研究開発が進展していくと考えられます。特に、薄膜太陽電池やTFT分野では、アモルファス半導体の特性が重要な役割を果たしており、今後の技術革新において重要な材料であり続けるでしょう。

もう一度検索