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みさきいちぬの
5 years ago
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1 結晶工学特論 part I 鍋谷暢一化合物半導体とエピタキシー

2 Light Emitting Diode(LED) Laser Diode(LD) Photo Diode(PD) Solar Cell 化合物半導体デバイス Metal-Semiconductor Field Effect Transistor(MESFET) Hetero Bipolar Transistor(HBT) High Mobility Electron Transistor(HEMT)

3 デバイスに用い ( られてい ) る半導体 Si, Ge, (C) ダイアモンド構造 GaAs, InP, InAs, InSb, 閃亜鉛鉱構造 GaN ウルツ鉱構造 CuInSe 2 カルコパイライト構造

4 結晶構造 diamond zinc blende wurtzite chalco pyrite

5 結晶工学特論 ( 第 1 部 ) で扱う内容 1. 化合物半導体とデバイス 2. エピタキシャル結晶と歪格子不整合格子歪欠陥混晶組成成長モード ( 表面エネルギーと歪エネルギー ) 3. 逆格子逆格子の定義回折条件 (Ewald 球 ) X 線回折と電子線回折電子顕微鏡 4. 光デバイスの活性層格子整合量子井戸超格子量子ドット光閉じ込め導波路

6 化合物半導体の特長移動度が大きい高周波に対応 GaAs 8,800 cm 2 /Vs Si 1,350 cm 2 /Vs 直接遷移型のものが多い発光効率が高い種類が豊富バンドギャップ格子定数の自由度が高い混晶が作製できる AlGaAs, AlGaInP, InGaAsP, InGaN,

バンドギャップ [ev] 6 5 4 3 2 1 GaN AlN ZnO 半導体のバンドギャップと格子定数 InN ZnS AlP GaP Ⅳ 族 Ⅲ-Ⅴ 族

0 主な半導体 Si GaAs AlGaInP InGaAsP GaInN 200 400 600 800 1000 2000 波長 [nm] 格子定数

7 バンドギャップ [ev] GaN AlN ZnO 半導体のバンドギャップと格子定数 InN ZnS AlP GaP Ⅳ 族 Ⅲ-Ⅴ 族 Ⅲ-N Ⅱ-Ⅵ 族 Ⅱ-O 格子定数 [A ] ZnSe AlAs ZnTe CdSe Si GaAs InP Ge InAs 主な半導体 Si GaAs AlGaInP InGaAsP GaInN 波長 [nm] 格子定数トランジスタ IC CPU メモリなど高周波用トランジスタなど赤色発光ダイオード (CD,DVD, 交通信号 ) 光通信用半導体レーザ (1.55μm) 青緑色発光ダイオード紫外レーザ

8 発光デバイスと受光デバイス発光デバイス (LD LED ) 受光デバイス (PD 太陽電池 ) 伝導帯 1 伝導帯 3 E g 2 3 hv 1 hv E g 1 価電子帯 3 価電子帯 1 電子と正孔を注入 ( 励起 ) 2 再結合 ( 緩和 ) 3 発光光吸収電子と正孔を生成 ( 励起 ) 引き抜き

9 バンドギャップと対応できる波長伝導帯 h c Eg Eg 8 Eg hv h c 1240 [nm] Eg[eV] E g : バンドギャップ価電子帯 c : 光速 h : プランク定数例えば 1.41 ev (GaAs) 890 nm 1.55μm (LD) 0.8 ev

10 混晶半導体 InGaAs 正確には In x Ga 1-x As (0 x 1) x : In 組成バンドギャップ [ev] In 組成 GaAs (5.653A,1.42eV) InAs (6.06A,0.32eV) 格子定数 [A ] In 組成によってバンドギャップと格子定数を連続的に制御できる III x III 1-x V, III x III y III 1-x-y V, IIIV y V 1-y, III x III 1- V y V 1-y, InGaAs, AlGaInP, GaAsP, InGaAsP,

11 バンドギャップ [ev] GaP (5.45A,2.28eV) GaAs (5.653A,1.42eV) 四元混晶 In x Ga 1-x As y P 1-y InP (5.8687A,1.38eV) InAs (6.06A,0.32eV) 格子定数 [A ] 波長 [ m] 格子定数とバンドギャップを独立に制御

12 化合物混晶半導体の格子定数とバンドギャップ 4 ZnS ZnO GaN バンドギャップ [ev] InN AlP GaP GaAs Si ZnSe ZnTe AlAs CdSe InP 波長 [nm] Ge InAs 格子定数 [A ] 2000 混晶を用いることによりバンドギャップと格子定数を連続的に変化 4 元混晶では格子定数を固定したままバンドギャップのみ変化

13 発光ダイオード (LED) と半導体レーザ (LD)

14 発光ダイオードの実用例

15 発光ダイオードの開発の流れ Performance (Lumens/Watt) fluorescent incandescent Edison's first bulb GaP:Zn,O (red) GaAsP (red) DH AlGaAs/GaAs (red) AlGaAs/GaAs GaAsP:N (red) (red,yellow) GaP:N (green) AlInGaP/GaAs (red,orange) Time (years) AlInGaP/GaAs (red,orange,yellow) Nitrides SiC (blue) InGaN (green) InGaN (blue) InGaN (blue) T. Mukai et al, Jpn. J. Appl. Phys., 38, p.3976 (1999)

16 色相図

17 発光ダイオードの原理半導体光デバイスの材料選択設計において重要な要素バンドギャップ応用可能な光の波長 LED の構造 p+ 層 p 層 n 層 n 形基板

18 半導体レーザ (Laser Diode)

19 半導体レーザの原理 LD の構造 p+ コンタクト層 pクラッド層活性層 nクラッド層 n 形基板

20 LED および LD の構造 LED LD

21 HEMT の原理と構造不純物による散乱を低減するためドーピング領域と電子走行領域を分離 ( 変調ドープ )

22 化合物半導体デバイスの作製に要求されること活性層 ( 量子井戸 ) クラッド nmオーダの膜厚制御ドーピング ( 変調ドーピング ) ppmオーダの組成制御混ざらないものを混ぜる組成急峻なヘテロ界面

23 化合物半導体デバイスの作製方法エピタキシャル成長 (LD,LEDなど) 下の層から順に上に積層する基本的には面内は均一成長する結晶の種類が制御できるイオン打ち込み+リソグラフィ (ICなど) 加速電圧でイオン打ち込み深さを制御面内に構造を作製母体材料は決まっている ( ドーパントを打ち込む )

24 エピタキシー epitaxy = epi + taxy 語源はギリシャ語上に置く配列

25 化合物半導体の主なエピタキシャル成長法溶液成長 Liquid Phase Epitaxy(LPE) 気相成長 Halide Vapor Phase Epitaxy(HVPE) OrganoMetalic Vaper Phase Epitaxy(OMVPE, MOVPE, MOCVD) Molecular Beam Epitaxy(MBE)

26 Liquid Phase Epitaxy(LPE) 成長方法特徴 1. 溶液を原料結晶上にセットして温度を上げ飽和溶液をつくる 2. ボートを引いて溶液を基板上にセットして温度を下げ析出させる平衡状態に近い成長のため良い結晶が作製できる成長速度が速い (nmオーダの制御が不可能)

27 Halide Vapor Phase Epitaxy(HVPE) 成長方法特徴 H 2 キャリアガスに乗せてAsH 3, PH 3 を運ぶ GaはHClと反応させて運ぶ成長速度が速いハロゲン (Cl, I など ) と反応する原料しか適用できない温度制御部が多い

28 MOVPE と MBE 成長速度を遅くすることができる (1μm/h ML/s ML は分子層を表す ) 成長温度を低くすることができる複数の原料を選択的に供給することができる原子レベルで急峻なヘテロ界面 ( 異なる結晶の接合 ) の形成量子井戸超格子高電子移動度トランジスタ(HEMT) 半導体レーザ(LD) 混和性の低い混晶 GaInNAs, InGaN

29 MOVPE で使用する原料 (Ⅲ-Ⅴ 族の場合 ) Ⅲ 族 CH 3 C 2 H 5 TMGa( Ga(CH 3 ) 3 ), TMAl, TMIn, TEGa( Ga(C 2 H 5 ) 3 ), TEIn, CH 3 Ga C 2 H 5 Ga Ⅴ 族 CH 3 C 2 H 5 AsH 3, PH 3, NH 3, TBAs( t-c 4 H 9 AsH 2 ), TBP, DMHy, ドーパント DEZn H As H H t-c 4 H 9 As H H SiH 4, H 2 Se 室温で気体または液体のものを用いる

30 MOVPE 装置 ( 全有機原料の場合 ) H 2 ガスに乗せて原料を基板まで供給

31 MOVPE 装置 ( 成長部 ) リアクター部サセプタに基板をセットした様子

32 MOVPE で使用する原料 (Ⅲ-Ⅴ 族の場合 ) Ⅲ 族有機金属可燃性が強い Ⅴ 族原料毒性が強い原料名 LC 50 PH TBP >1100 LC 50 ラットに 4 時間曝した後死ぬ確率の指標 AsH TBAs 70 特殊高圧ガスモノシランホスフィンアルシンジボランセレン化水素モノゲルマンジシラン量に関わらず使用する際には都道府県知事に届けを出す必要がある

33 MOVPE装置の外観

34 MOVPE の特徴長所 As 系 P 系 N 系すべての化合物半導体の成長に適用可能原料が枯渇しても取替えが容易改造 ( ガスラインの増設 ) が容易大量生産短所安全管理の徹底排ガス処理 Ⅴ 族原料の熱分解効率が悪い

35 MBE の構成基板マニピュレータ高真空中での成長シュラウドビームフラックスモニターゲートバルブ基板ホルダーラック QMS 搬送ロッドスクリーン基板ホルダーメインシャッターシャッターイオンポンプクライオポンプ Ti sub. ポンプ電子銃 K セル ( 分子線源 ) エレベーターソープションポンプターボ分子ポンプダイアフラムポンプ成長室試料交換室 2 室構成型固体ソース MBE の場合

36 K セルとクラッキングセル k セル (Knudsen cell) クラッキングセル坩堝 (PBN) ~1200 分子線の強度 J A p cosθ J 2 πl 2π kt A : セル出口の面積 L : セル出口からの距離 p : セル内の平衡蒸気圧 900~1000 AsH 3, PH 3, As 4 As 2, P 2 Ⅲ 族 MOも低温加熱

37 固体ソース MBE の原料固体ソース MBE 原料は全て固体 (Ga, Al, In, As ) 基板 Ga Al As 問題点蒸気圧の高い原料 ( 特に Ⅴ 族 ) の分子線供給量の制御が困難ソースが枯渇すると成長室を大気リークする必要がある

38 MBE の種類と特徴基板基板基板 Ga Al As Ga Al As Ga Al As MFC ポンプへ MFC MFC MFC ポンプへ AsH 3 TMGa TEGa TMAl AsH 3 TBAs 固体ソース MBE システムが簡単成長室のリークガスソースMBE 原料供給量の制御性成長室のリーク不要安全管理クラッキングセル MOMBE 原料供給量の制御性成長室のリーク不要組成均一性選択成長安全管理クラッキングセル

39 窒化物の MBE 成長 GaN, AlN, InN 原料 Ⅲ 族金属 Ga Al In N N 2 NH 3 (DMHy) ガスソース MOVPE が多い (TMGa, NH 3 ) MBE では成長が NH 3 の熱分解に律速されない成長温度を低くできる InN( 電子デバイス材料として期待 ) In N の結合が弱い成長温度 500 NH 3 の分解効率 1% プラズマセルによる活性窒素の供給 RF プラズマ (13.56MHz) ECR プラズマ (2.45GHz, 875G) N 2 はクラッキングでは分解できない ( N-N 9.8eV ) NH 3 やDMHyはクラッキングするとN 2 を生成

40 活性窒素 25 分子原子 N + イオン中性の励起状態 N 2* N * が成長に寄与エネルギー [ev] ev (N 2 + ) * N 2 + N 2 * N 2 イオン励起状態イオン励起状態基底状態 9.8 ev N * 励起状態 N 基底状態イオン N 2+ (N 2+ ) * N + はプラズマ中の電界によって加速され大きなエネルギーをもつ表面へのダメージ大基板へのバイアス偏向電界磁界によって制御

41 プラズマ分光 ( 活性種を知る ) 25 分子原子 N + イオン 391 イオン W, Torr 747 原子状窒素エネルギー [ev] (N + 2 ) * イオン励起状態 1st negative イオン 15.6 ev N 2 + N 2 * 2nd positive 1st positive 励起状態 atomic N N * 励起状態 N 基底状態 9.8 ev 822 N 2 基底状態 W.C. Houghes et al., J. Vac. Sci. Technol., B13(1995)1571. ECR イオン 2nd positive RF 原子状窒素 (N * ) 1st positive

42 酸素プラズマの分光 Intensity [a.u.] 50W, 0.125ccm セル材質 : 石英 O * O + O Wavelength [nm]

43 まとめ半導体デバイス LED, LD, HEMT 半導体デバイスと化合物半導体種類の豊富さ直接遷移型ヘテロ構造混晶半導体デバイスの作製方法基板上にエピタキシャル成長エピタキシャル成長法 LPE, HVPE, MOVPE, MBE

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