ワイドバンドギャップ半導体

量子力学によれば、物質ごとに異なる一連の明確な電子エネルギー準位、すなわちバンドが存在します。各バンドには一定数の電子を収容できます。原子がより多くの電子を持つ場合、電子はより高いエネルギーバンドに押し込まれます。外部エネルギーが存在すると、一部の電子はエネルギーを得てエネルギーバンドを上昇し、その後エネルギーを放出してより低いバンドに戻ります。室温における熱エネルギーのように、外部エネルギーが継続的に加えられると、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」によって、材料の電気的特性は大きく異なります。例えば、室温では、ほとんどの金属は部分的に満たされたバンドの連続体を持っており、わずかなエネルギーを加えるだけで電子を追加したり取り除いたりすることができます。電子が密集している場合、原子間を容易に移動できるため、優れた導体となります。これに対し、ほとんどのプラスチック材料はエネルギー準位の間隔が広く、原子間で電子を移動させるにはかなりのエネルギーが必要となるため、自然な絶縁体となります。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、一部の電子が両方のバンドに存在します。

半導体では、少量のエネルギーを加えることでより多くの電子が伝導帯に押し込まれ、伝導性が高まり、導体のように電流が流れるようになります。この印加エネルギーの極性を反転させると、電子はより離れたバンドに押し込まれ、絶縁体となり、電流の流れが止まります。これら2つのレベル間で電子を押し出すのに必要なエネルギー量は非常に小さいため、半導体はごくわずかな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つの状態に自然に分布していることに依存しているため、わずかな入力でも電子の分布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、通常はより多くの電子がどちらかの状態に集中し、スイッチング動作が自然に起こるか、完全に停止します。

原子の大きさ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要な要素です。原子が小さく原子結合が強い材料は、広いバンドギャップと関連付けられます。III-V族化合物に関しては、窒化物は最大のバンドギャップと関連付けられます。バンドギャップは合金化によって設計することができ、ベガードの法則は、一定温度での固溶体の格子定数と組成の間には線形関係があることを示しています。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吸収が弱くなります。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添加されない限り、光の放出が弱いです。

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点にある。光子が外部からの励起を引き起こすには、少なくともそのエネルギーが必要である。逆に、励起された電子・正孔対が再結合する際には、バンドギャップの大きさに相当するエネルギーを持つ光子が生成される。

バンドギャップは、LEDが発光する波長と、太陽電池が最も効率的に動作する波長を決定します。そのため、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有用です。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（光エネルギーの等価波長は 、定数1240 nm-eVをeV単位のエネルギーで割ることによって決定できます。つまり、1240  nm-eV/1.4 eV=886  nm）。最も高い効率は、太陽光スペクトルの異なる領域に合わせて調整された層を持つ太陽電池から得られるため、最新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。^{[ 16 ]}

照明用途におけるLEDの利用は、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ている。

衝撃電離は、絶縁破壊の原因としてよく挙げられる。絶縁破壊が発生する時点では、半導体中の電子は格子原子と衝突する際にキャリアを生成するのに十分な運動エネルギーを持っている。

ワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊電圧を持つという特徴がある。これは、キャリアを衝突によって生成するために必要な電界が大きいためである。

高電界下では、光フォノンによる散乱のため、ドリフト速度は飽和する。光フォノンのエネルギーが高いほど、特定の温度における光子の数は少なくなり、したがって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中の電子は高いピーク速度を達成できる。

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。インターバレー散乱は、高電界における追加の散乱機構であり、伝導帯の最低バレーからより高いバレーへのキャリアの移動によって生じます。より高いバレーでは、低いバンド曲率によって電子の実効質量が増加し、電子移動度が低下します。インターバレー散乱による高電界でのドリフト速度の低下は、低い光学的フォノン散乱によって生じる高い飽和速度に比べて小さいため、全体として飽和速度は高くなります。

シリコンなどの一般的な材料は、1～1.5電子ボルト（eV）程度のバンドギャップを持ち、比較的低い電圧で半導体デバイスを制御できることを意味します。しかし、これは同時に、熱エネルギーによって容易に活性化され、正常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は、動作温度が約100 ℃以下に制限されます。それ以上の温度では、デバイスの制御不能な熱活性化により、正常に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は、通常2～4 eV程度のバンドギャップを持ち、300℃程度のはるかに高い温度で動作できます。このため、軍事用途で非常に魅力的であり、実際にかなりの使用実績があります。    

融点、熱膨張係数、熱伝導率は、加工において重要な二次特性とみなすことができ、これらの特性はワイドバンドギャップ材料の結合状態と関連している。結合が強いほど融点が高くなり、熱膨張係数は低くなる。デバイ温度が高いほど熱伝導率が高くなる。このような熱特性により、熱は容易に除去される。

ワイドバンドギャップ半導体の高い絶縁破壊電圧は、大きな電界を必要とする高出力用途において有用な特性である。

高出力・高温用途向けのデバイスが開発されている^{[ 5 ]} 。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。炭化ケイ素半導体は、その堅牢性と製造の容易さから、ハイブリッド車や電気自動車の充電をよりシンプルかつ高効率にし、エネルギー損失を低減し、太陽光発電や風力発電の電力変換器の寿命を延ばし、かさばる送電網変電所の変圧器をなくすなど、広く使用されることが期待されている^{[ 17 ]} 。立方晶窒化ホウ素も使用されている。これらのほとんどは、宇宙計画や軍事システムの特殊用途向けである。これらは、一般的な電力半導体市場におけるシリコンの主導的地位を奪うには至っていない。

白色LEDは、その明るさと長寿命性から、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フォーマット）は、GaNベースの紫色レーザーを使用しています。

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することができます。

超高速GaNは、高い界面電荷密度という現象を利用している。

コストが高いため、窒化アルミニウムは今のところ主に軍事用途で使用されている。