化合物半導体

化合物半導体の概要

化合物半導体とは、二種類以上の元素が結合して形成される半導体のことを指します。これらは主に共有結合結晶であり、一般的な結晶構造には閃亜鉛鉱型構造やウルツ鉱型構造が採用されています。また、アモルファス半導体もこのカテゴリーに含まれます。

化合物半導体を形成する元素の組み合わせとしては、主にIII族とV族元素、もしくはII族とVI族元素が代表的です。それぞれの組み合わせがIII-V族半導体やII-VI族半導体と呼ばれており、さまざまな特性の半導体を作り出します。

歴史

化合物半導体の研究は1874年にさかのぼり、ドイツのヴュルツブルク大学でフェルディナント・ブラウンが方鉛鉱と黄鉄鉱の整流特性について記述しました。1876年にはこれに関する発表がなされましたが、その後長い間具体的な用途は見出されず、無線通信における鉱石検波器の用途が見えるのは1900年代初頭のことでした。

第一次世界大戦中には、赤外線用の光検出器がドイツで開発されました。このデバイスは硫化鉛と硫化セレンを基にしていましたが、変換効率は1%未満という低さでした。さらに、硫化セレンは即応性能にも欠け、使用に際して限界がありました。1932年には硫化鉛の検出器の開発が再開され、セレン化鉛やテルル化鉛も在り、これらは冷媒としてドライアイスや液体窒素を使うことで変換効率を改善しました。

重要な商業製品としては、1927年に登場した酸化銅整流器や1931年のセレン整流器があり、いずれも低周波数の電力整流において高い性能を持っていました。これらは大量に生産されたものの、作動原理は当時明確ではありませんでした。1950年代の初めまでは他の半導体材料の開発が不十分であったため、これらのデバイスは使用され続けました。

1940年代から1950年代にかけては、次第にゲルマニウムとシリコンにシフトしていきましたが、III-V族半導体の利用は1960年代以降に大きく拡大しました。特に、ガリウム砒素半導体は高周波特性が優れており、シリコンやゲルマニウムを超える性能を示したため、注目を浴びました。しかし、ガリウム砒素の蒸気圧特性により、精製過程での組成比が変化しやすく、不純物の添加が難しいという課題も抱えていました。

利点

化合物半導体の大きな利点は、異なる元素を組み合わせることで多様な特性を持つ半導体を容易に製造できる点です。たとえば、電子移動度が高いヒ化ガリウム(GaAs)や、大きなバンドギャップを持つ窒化ガリウム(GaN)などは、特に優れた特性を示します。

発光デバイス

化合物半導体は発光ダイオード（LED）において،光の波長を決定するバンドギャップを持つため、さまざまな色の光を放つデバイスの開発において大変重宝されています。例えば、ヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs)のように三つの元素を組み合わせることにより、広範囲の波長を実現します。

高電子移動度トランジスタ

また、高電子移動度トランジスタは、異なる電子親和力を持つ二つの化合物半導体を接合することで構築されます。これにより、高速動作が可能なデバイスが提供され、さまざまな電子機器に革命をもたらしています。

化合物半導体はその性能と応用の広さから、今後もさらなる進展が期待されている分野です。

もう一度検索