この講義のねらい ナノ 量子効果デバイス 前澤宏一 本講義は 超高速 超高周波デバイスの基盤となる化合物半導体 へテロ接合とそれを用いたデバイスに関して学ぶ 特に高電子移動度トランジスタ (HEMT) やヘテロバイポーラトランジスタ (HBT) などの超高速素子や これらを基礎とした将来デバイスである 量子効果 ナノデバイスとその応用について学ぶ 2 年 量子力学 1,2 電子物性工学 1 半導体デバイス 1 3 年 電子物性工学 2 半導体デバイス 2 集積回路工学 関連科目 内容 1 1. 化合物半導体の特徴 応用の紹介 2. 半導体物理のおさらい 1 Blochの定理の意味とk 空間 2 バンドギャップの物理的基礎 3 有効質量とBloch 振動 4 1,2,3 次元における状態密度 5 電子統計 6 高濃度不純物ドープ半導体 3. 様々な化合物半導体とその特徴 4. 半導体ヘテロ接合 内容 2 5. バイポーラトランジスタ ヘテロ接合バイポーラトランジスタ 6. 金属半導体トランジスタ (MESFET) 高電子移動度トランジスタ (HEMT) 7. 高周波特性評価と高速デバイス設計 8. トンネル効果とフラッシュメモリ 9. 共鳴トンネル効果 共鳴トンネル素子の応用 10. 単電子トランジスタ 11. GaN 系デバイス 12. Si-VLSI との融合 化合物半導体の特徴と応用の紹介 半導体とは III-V 族化合物半導体とその特徴 化合物半導体のアプリケーション 量子効果デバイス 共鳴トンネル素子 低次元素子 1
半導体 化合物半導体とは何か? intermediate conductivity (10-3 cm --- 10 8 cm) possible to modulate electron/hole concentration sensitive to electric field, light, temperature,... Periodic table II III IV V IV Be B C N O Mg Al Si P S Ca Ga Ge As Se Sr In Sn Sb Te They have the same electron configuration as Si in average. E III-V 族化合物半導体の特徴 I 光る! 直接ギャップ半導体 <-> Si は間接ギャップ GaAs e h 光 E e Si h 光は k~0 III-V 族化合物半導体の特徴 II 電子の有効質量が軽い 移動度大 実効電子速度大 Velocity 10 7 cm/s 3 In 0.5 Ga 0.5 As 2 GaAs 1 Si k k 0 10 20 Electric Field (kv/cm) III-V 族化合物半導体の特徴 III バンドギャップの広い材料を用いて絶縁性の高い基板が作れる デバイスー基板 配線ー基板間の容量を小さくできる 超高速 IC MMIC (microwave monolithic IC, millimeter wave monolithic IC) III-V 族化合物半導体の特徴 IV 様々な組み合わせで混晶が作れる 格子定数 バンドギャップなど様々な材料を合成可能 Al x Ga 1-x As, In x Ga 1-x As, In x Al 1-x As, InAs x P 1-x, InAs x Sb 1-x, GaN, AlN,... GaAs Eg=1.4 ev Si Eg=1.1 ev Si では主として Si x Ge 1-x のみ 2
III-V族化合物半導体の特徴V ヘテロ接合の自由度が大きい Barrier 化合物半導体はどこで使われているか I LED (Light Emitting Diode) Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Conduction Band n-al0.3ga0.7as Valence Band p-gaas 化合物半導体はどこで使われているか II GaAs MMIC Optical Communication Mobile Communication III-V Compound Semiconductors Ultrahigh speed switching Microwave, millimeter-wave Gbit/s --> Tbit/s GHz --> THz Satellite Broadcasting Radio Astronomy Millimeter-wave Radar for Cruise Control 76 GHz, 94 GHz, 125 GHz 超高周波デバイス 化合物半導体の高い移動度 高い飽和速度 を利用 InP基板に格子整合したInGaAs/InAlAs系が 現在 最も高い性能を出している Keeping Cars From Crashing! 3
InP 系 HEMT の高周波特性 HEMT の周波数特性のトレンド 688GHz InP HEMT 集積回路の例 InP HEMT の Application 例 その他 300GHz 以上のアンプや 発振器も報告されている パワー応用 トランジスタ出力の比較 窒化物系化合物半導体 GaN, AlN, InN 大きな破壊電界 高い飽和電子速度 高電子密度 4
量子効果デバイス In extremely small structure, quantum mechanics dominates. 半導体中での重要な量子効果 Tunneling Quantum mech. e- Quantum mechanics e- particle <---> wave Light behaves like particles, and electrons behave like wave. Newton mech. 有効質量が小さ いほど量子効果 は重要となる Interference 化合物半導体 Using these phenomena to fabricate new devices! 共鳴トンネルダイオード quantum well AlAs barrier 共鳴トンネルダイオードの格子像 Layer Structure n-gaas undoped AlAs undoped GaAs undoped AlAs n-gaas quantum level electron conduction band GaAs 共鳴トンネルダイオードの特性 低次元閉じ込め構造 Low electron scattering rate Electrons move faster! 1D 2D phonon e- Phonons moving to all directions can scatter electrons. ephonon scattering probability is quite small because only the backscattering (180 degree scattering) is allowed. 5
0次元構造 単電子素子 単電子トランジスタ SET Single electron manipulation! Single Electron Tunneling Only single electron can go into the QD. This permit us to handle only one electron! Single Electron Transistor (SET) 量子コンピューティング カーボンナノチューブ 量子力学的状態を情報単体とした画期的コンピュータ 量子力学的重ね合わせの原理により超並列計算可能 直径 1 nm ~ 理想的な一次元量子細線 超高密度VLSIの構築 1 nm Gd@C82ピーポッドのTEM像 Mooreの法則 将来の超LSIへの道 集積回路上のト ランジスタ数(コン ピュータの処理 能力のおおよそ の目安になる)は 18ヶ月ごとに倍に なる http://download.intel.com/technology/silicon/insb_press_tech_presentation.pdf 6
ナノワイヤー FET まとめ 化合物半導体をベースとした超高速素子 集積回路 半導体の基礎のおさらい 特に Si との比較 将来のデバイスへの展望 http://www.ime.a-star.edu.sg/ 7