ワイドバンドギャップ半導体

ワイドバンドギャップ半導体（ WBG半導体またはWBGSとも呼ばれる）は、従来の半導体よりも大きなバンドギャップを持つ半導体材料です。シリコンやセレンなどの従来の半導体のバンドギャップは0.7～1.5電子ボルト（eV）の範囲です が、ワイドバンドギャップ材料のバンドギャップは2 eV以上です。^{[1] [2]一般的に、ワイドバンドギャップ半導体は、従来の}半導体と絶縁体の中間の電子特性を持っています。

ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンやガリウムヒ素などの従来の半導体材料よりもはるかに高い電圧、周波数、温度でデバイスを動作させることを可能にします。これらは短波長（緑色紫外線）LEDやレーザーの製造に使用される主要コンポーネントであり、特に軍事用レーダーなどの特定の無線周波数アプリケーションにも使用されています。その固有の特性により、幅広い他のアプリケーションに適しており、一般的な半導体用途の次世代デバイスの主要な候補の1つです。

より広いバンドギャップは、それらを使用するデバイスが 300 °C 程度のはるかに高い温度で動作できるようにするために特に重要です。このため、それらは軍事用途で非常に魅力的であり、そこではかなり使用されています。高温耐性は、これらのデバイスが通常の条件下ではるかに高い電力レベルで動作できることも意味します。さらに、ほとんどのワイドバンドギャップ材料は、従来の半導体の約 10 倍の非常に高い臨界電界密度も備えています。これらの特性を組み合わせることで、はるかに高い電圧と電流で動作できるため、軍事、無線、および電力変換アプリケーションで非常に価値があります。米国エネルギー省は、それらが新しい電力網や代替エネルギーデバイス、ならびにプラグイン電気自動車から電車までの高出力車両で使用される堅牢で効率的な電力部品の基礎技術になると考えています。^[3]ほとんどのワイドバンドギャップ材料は自由電子速度も高く、より高速なスイッチング速度で動作できるため、無線アプリケーションでの価値が高まります。単一の WBG デバイスを使用して完全な無線システムを構築できるため、個別の信号コンポーネントと無線周波数コンポーネントが不要になり、より高い周波数と電力レベルで動作できます。

ワイドバンドギャップ材料の研究開発は、1970 年代から巨額の投資が行われている従来の半導体に比べると遅れをとっています。しかし、多くの用途で明らかな固有の利点があり、従来の半導体にはない独自の特性も備えているため、シリコンの代わりに日常の電子機器に使用することへの関心が高まっています。高い電力密度に対応できるワイドバンドギャップ材料の能力は、ムーアの法則(集積回路上のトランジスタ密度が着実に増加しているという観測値) を維持しようとする試みにとって特に魅力的です。ムーアの法則は、数十年にわたって約 2 年ごとに倍増しています。しかし、従来の技術ではトランジスタ密度が頭打ちになりつつあるようです。^[4]

ワイドバンドギャップ材料には、より狭いバンドギャップ材料に比べて有用な特性がいくつかあります。エネルギーギャップが高いと、デバイスはより高温で動作できるようになります。 ^[5]バンドギャップは通常、温度上昇とともに縮小するため、従来の半導体を使用する場合は問題になることがあります。一部のアプリケーションでは、ワイドバンドギャップ材料を使用すると、デバイスがより大きな電圧を切り替えることができます。また、ワイドバンドギャップにより、電子遷移エネルギーが可視光のエネルギー範囲に入るため、発光ダイオード(LED) や半導体レーザーなどの発光デバイスを可視スペクトルで発光させたり、紫外線を生成したりすることも できます。

ワイドバンドギャップ半導体を使用した固体照明は、発光効率が 1 ワットあたり 20 ルーメン未満の白熱灯と比較して、照明に必要なエネルギー量を削減できる可能性があります。LED の効率は 1 ワットあたり 160 ルーメン程度です。

ワイドバンドギャップ半導体は、RF 信号処理にも使用できます。シリコンベースのパワートランジスタは、動作周波数、ブレークダウン電圧、および電力密度の限界に達しています。ワイドバンドギャップ材料は、高温および電力スイッチングアプリケーションで使用できます。

-グループ IVのワイドバンドギャップ材料はダイヤモンドとシリコンカーバイド(SiC)のみです。

- III 族の唯一の半導体材料はホウ素であり、シリコン、セレン、ゲルマニウムよりもバンドギャップが広い。

広いバンドギャップを持つIII-V族およびII-VI族の化合物半導体は数多く存在します。III-V族半導体ファミリーでは、波長が200～250 nmまでの紫外線LEDの製造に窒化アルミニウム（AlN）が使用され、青色LEDやレーザーダイオードの製造に窒化ガリウム（GaN）が使用され、青色LEDには窒化ホウ素（BN）が提案されています。

量子力学は、物質ごとに異なる一連の異なる電子エネルギーレベル、つまりバンドを生み出します。各バンドは一定数の電子を保持できます。原子にそれ以上の電子がある場合、それらの電子はより高いエネルギーバンドに移動させられます。外部エネルギーが存在する場合、一部の電子はエネルギーを獲得してエネルギーバンドを上に移動し、その後それを解放してより低いバンドに戻ります。室温の熱エネルギーなどの外部エネルギーを継続的に適用すると、バンドを上下に移動する電子の数が等しくなる平衡状態に達します。

エネルギー バンドの分布とバンド間の「バンド ギャップ」に応じて、材料の電気的特性は大きく異なります。たとえば、室温では、ほとんどの金属は、ほとんどエネルギーを加えずに電子を追加または削除できる、部分的に満たされたバンドのシリーズを持っています。密集すると、電子は原子から原子へ簡単に移動できるため、優れた導体になります。これに対して、ほとんどのプラスチック材料は、エネルギー レベルが広く離れているため、原子間で電子を移動させるのにかなりのエネルギーが必要で、自然な絶縁体になります。半導体は、両方のタイプのバンドを持つ材料であり、通常の動作温度では、一部の電子は両方のバンドにあります。

半導体では、少量のエネルギーを加えると、より多くの電子が伝導帯に押し込まれ、より導電性になり、導体のように電流が流れるようになります。この加えられたエネルギーの極性を反転すると、電子はより広く離れたバンドに押し込まれ、絶縁体になり、流れが止まります。電子をこれら 2 つのレベル間で押し出すために必要なエネルギー量は非常に小さいため、半導体では、非常に少ないエネルギー入力でスイッチングが可能です。ただし、このスイッチング プロセスは、電子が 2 つの状態間で自然に分配されることに依存するため、入力が小さいと、人口統計が急速に変化します。外部温度が変化すると、マクスウェル・ボルツマン分布により、通常は、どちらかの状態になる電子がますます増え、スイッチング動作が自動的に発生するか、完全に停止します。

原子のサイズと原子内の陽子の数は、バンドギャップの強度と配置を予測する主な指標です。原子が小さく原子間の結合が強い材料は、バンドギャップが広くなります。III-V 化合物では、窒化物が最大のバンドギャップになります。バンドギャップは合金化によって制御でき、ベガードの法則によれば、一定温度での固溶体の格子定数と組成には直線関係があります。バンド構造における伝導帯の最小値と最大値の位置によって、バンドギャップが直接か間接かが決まります。直接バンドギャップ材料は光を強く吸収し、間接バンドギャップは光をあまり強く吸収しません。同様に、直接バンドギャップ材料は光を強く放出しますが、間接バンドギャップ半導体は、光と強く結合するドーパントが追加されない限り、発光効率が低いです。

波長とバンドギャップの関係は、バンドギャップのエネルギーが、電子を伝導帯に励起するために必要な最小エネルギーであるということです。補助を受けていない光子がこの励起を引き起こすには、少なくともそれだけのエネルギーを持っている必要があります。反対のプロセスでは、励起された電子正孔対が再結合すると、バンドギャップの大きさに対応するエネルギーを持つ光子が生成されます。

バンドギャップは、LED が光を発する波長と、光電池が最も効率的に動作する波長を決定します。したがって、ワイドバンドギャップデバイスは、他の半導体デバイスよりも短い波長で役立ちます。たとえば、GaAs のバンドギャップ 1.4 eV は、約 890 nm の波長に対応し、これは赤外線です (光エネルギーの同等の波長は、定数 1240 nm-eV を eV 単位のエネルギーで割ることで決定できます。つまり、1240 nm-eV/1.4 eV = 886 nm)。最高の効率は、太陽光スペクトルのさまざまな領域に合わせて調整された層を持つ光電池から生成されるため、現代の多接合太陽電池は、異なるバンドギャップを持つ複数の層を持ち、ワイドバンドギャップ半導体は赤外線を超えるスペクトル部分を収集するための重要なコンポーネントです。^[15]

照明用途における LED の使用は、特にワイドバンドギャップ窒化物半導体の開発に依存します。

衝撃イオン化は、しばしば破壊の原因とされます。破壊の時点では、半導体内の電子は格子原子と衝突してキャリアを生成するのに 十分な運動エネルギーを持ちます。

ワイドバンドギャップ半導体は高い破壊電圧を伴います。これは、衝撃によってキャリアを生成するのに、より大きな電界が必要になるためです。

高電界では、光学フォノンによる散乱によりドリフト速度 が飽和します。光学フォノンエネルギーが高くなると、特定の温度で光学フォノンの数が少なくなり、散乱中心も少なくなるため、ワイドバンドギャップ半導体内の電子は高いピーク速度を達成できます。

ドリフト速度は中程度の電界でピークに達し、より高い電界ではわずかに低下します。谷間散乱は高電界での追加の散乱メカニズムであり、伝導帯の最も低い谷から上部の谷へのキャリアの移動が原因で、下部バンドの曲率により電子の有効質量が増加し、電子移動度が低下します。谷間散乱による高電界でのドリフト速度の低下は、低い光フォノン散乱から生じる高い飽和速度と比較すると小さいです。したがって、全体的に飽和速度が高くなります。

シリコンやその他の一般的な材料のバンドギャップは 1 ～ 1.5電子ボルト(eV)程度で 、これはそのような半導体デバイスが比較的低い電圧で制御できることを意味します。しかし、これはまた、それらのデバイスが熱エネルギーによってより容易に活性化され、適切な動作を妨げることも意味します。このため、シリコンベースのデバイスの動作温度は約 100 °C 未満に制限され、それを超えるとデバイスの制御されていない熱活性化により、デバイスが正しく動作することが困難になります。ワイドバンドギャップ材料のバンドギャップは通常 2 ～ 4 eV 程度で、300 °C 程度のはるかに高い温度で動作できます。このため、それらは軍事用途で非常に魅力的であり、かなり使用されています。

融点、熱膨張係数、熱伝導率は、加工に不可欠な二次特性であると考えられており、これらの特性は、ワイドバンドギャップ材料の結合に関連しています。結合が強いと、融点が高くなり、熱膨張係数が低くなります。デバイ温度が高いと、熱伝導率が高くなります。このような熱特性により、熱は簡単に除去されます。

ワイドバンドギャップ半導体の高い破壊電圧は、大きな電界を必要とする高出力アプリケーションにおいて有用な特性です。

高出力および高温^[5]用途のデバイスが開発されている。窒化ガリウムと炭化ケイ素はどちらも、このような用途に適した堅牢な材料である。その堅牢性と製造の容易さから、炭化ケイ素半導体は、ハイブリッド車や全電気自動車の充電をよりシンプルで効率の高いものにし、エネルギー損失を減らし、より長持ちする太陽光および風力エネルギー電力変換器を構築し、かさばるグリッド変電所変圧器を排除することで、幅広く使用されることが期待されている。^[16]立方晶窒化ホウ素も使用されている。^[要出典]これらのほとんどは、宇宙計画や軍事システムの特殊な用途向けである。これらは、一般的なパワー半導体市場におけるシリコンの主導的な地位をまだ奪い始めていない。

白色LED は、その明るさと寿命の長さから、多くの場面で白熱電球に取って代わっています。次世代の DVD プレーヤー ( Blu-rayおよびHD DVD形式) では、GaN ベースの紫色レーザーが使用されています。

大きな圧電効果により、ワイドバンドギャップ材料をトランスデューサーとして使用できるようになります。

超高速 GaN は、高い界面電荷密度の現象を利用します。

コストが高いため、窒化アルミニウムはこれまで主に軍事用途に使用されてきました。

ワイドバンドギャップ材料をベースにしたデバイスは、シリコンバージョンよりもはるかに高い周波数でスイッチングすることができます。^{[17] [18] [19]}また、リーク電流も大幅に少なくなる傾向があります。その結果、テスト中にWBG半導体を適切に特性評価するには、より高い電圧とより感度の高い電流測定が必要になります。^{[20] [21]}

広帯域半導体パワーデバイスでは、オン/オフ状態、容量電圧、動的特性など、複数の測定が必要です。^{[22] [23]}動的性能に加えて、システム全体で問題を回避するために、主要な静的パラメータをテストすることが重要です。

WBG テストでは、アップグレードされたセンサーの一部を適切に使用するために追加の機器が必要になる場合もあります。高精度、高容量の電流センサーは、精度の低いセンサーよりもサイズが大きい傾向があります。そのため、回路のパフォーマンスへの影響を最小限に抑えて使用できる特殊なテスト構造が必要になる場合があります。

ブロードバンド半導体は大きな利点を提供するが、製造上の課題もある。高品質のブロードバンド材料を大規模に生産することは困難でコストがかかる。^[24]研究者や製造業者は、これらの材料をより手頃な価格にするために製造プロセスの最適化に取り組んでいる。^{[25] [26]}

• 窒化アルミニウム
• 窒化ホウ素、h-BN、c-BN は UV-LED を形成できます。
• ダイヤモンド
• 窒化ガリウム
• シリコンカーバイド
• 二酸化ケイ素

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