[スポンサーリンク]

一般的な話題

化学者のためのエレクトロニクス講座~化合物半導体編

[スポンサーリンク]

このシリーズでは、化学者のためのエレクトロニクス講座では半導体やその配線技術、フォトレジストやOLEDなど、エレクトロニクス産業で活躍する化学や材料のトピックスを詳しく掘り下げて紹介します。

今回は、半導体研究の最前線と、将来を担う新たな半導体材料についてご紹介します。

半導体素子のイメージ(画像:Wikipedia

シリコンの限界

半導体には長らくシリコンSiが採用されてきましたが、パワーデバイス用途に限定すると、すでにシリコンの物性限界に迫るところまで性能向上がなされてきました。すなわち、これ以上の省電力化や小型化を実現するには、シリコンよりも優れた物性を示す次世代半導体が欠かせません。近年、高周波・光・パワー分野などに強みを持つ材料として、バンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体がひときわ脚光を浴びています。

ワイドギャップ半導体には絶縁破壊電界が高いという利点があり、耐圧性能を保ちながら耐圧層を薄くすることができます。これはオン抵抗の低下を意味し、電力損失の低減につながります。そのため、ワイドギャップ半導体は、大電力を扱うパワーデバイスへの応用がとりわけ重要視されており、その最たるものが自動車関連です。

近年、自動車産業は車それ自体のIoT化ともいうべき自動運転の導入をはじめとする重大な転換期に差し掛かっており、従来は機械的な機構で行われていた制御が電子制御に代替されていくものと見込まれます。そのためには、車の運動エネルギーに相当する大電力を迅速に扱うことが要求され、さらに耐熱性能も必須となります。

ただし、車載用途は単結晶製品としての信頼性と、安定した供給を可能とする量産技術の確立が求められることから、その質と量の両立が課題となるものと思われます。

自動車への半導体の利用が加速しています(画像:Wikipedia

演算用などの小電力用途でのシリコンの地位は当面の安定が期待されますが、その他の分野では化合物半導体が存在感を増していくこととなるでしょう。

単体元素のうち半導体的な物性を示すものにはシリコンのほかにゲルマニウムGe、セレンSeが挙げられますが、いずれもバンドギャップが大きくありません。そのため、これらの用途には化合物半導体が用いられることとなります。

化合物半導体とは

化合物半導体はその名の通り、2種類以上の元素からなる化合物であることから、元素の組み合わせに応じて多種多様な性能を示します。

その研究史は案外古く、実はゲルマニウムやシリコンよりもはるか前の1874年にドイツのフェルディナント・ブラウンの手で方鉛鉱と黄鉄鉱の整流作用が発見されたことに遡ります。20世紀初頭にはこれを利用した鉱石検波器が無線通信に利用されるようになります。これを改良した酸化銅整流器やセレン整流器が広く普及したものの、当時はその原理は謎に包まれたままでした。

その後のゲルマニウム半導体の研究を契機にこれらの化合物半導体についても理解が進んでいきましたが、加工の容易なゲルマニウム、シリコンに駆逐されていくという皮肉な結果を招きました。

鉱石検波器(画像:Wikipedia

次世代の半導体

今後の用途拡大が期待される代表的な材料としては、耐圧性能に優れた炭化ケイ素SiCと高速応答に特化した窒化ガリウムGaN、そして次世代のパワー半導体材料の主力となることが期待される酸化ガリウムGa2O3などがあります。

また、化合物半導体には波数空間でバンド図を描いたときに伝導帯の底と価電子帯の頂上が同一の波数ベクトル上に存在するような直接遷移型の半導体材料もいくつか見つかっています。直接遷移型の半導体では電子と正孔の再結合時にエネルギーが光子として放出されるため、LEDやレーザーダイオードに応用可能です。対する間接遷移型の半導体(シリコンやゲルマニウムも含まれます)では再結合はフォノンや結晶欠陥などを介するため、大幅に弱い発光となります。波数空間(k空間)やバンド図の概念については固体物理学分野の成書に譲りますが、有機材料分野における一重項励起と三重項励起の対応によく似た関係と捉えていただければ幸いです。

このような直接遷移の特性を活かし、GaNはノーベル賞にも選定された青色発光ダイオードの材料としても使われています。

青色発光ダイオード(画像:Wikipedia

優れた特性を示し、既に身の回りで利用され始めているGaNとSiCですが、ウエハの製造コストの高さがネックとなっています。融液からチョクラルスキー法で調整可能なシリコンと異なり融解前に昇華・分解しやすいこれらの材料はCVDなどでウエハを調製するほかなく、これが製造コストの低減を妨げています。シリコンウエハの製造コストが100円/cm2以下であるのに対して、SiCは1500円、GaNでは40000円を上回るとされています。

そこで近年注目されているのが、比較的融点の低い酸化ガリウムです。2020年現在では実用的な基盤製造法の開発途上にありますが、近い将来安価に大量生産することが可能とみられています。さらに、この酸化ガリウムはオン抵抗が極めて低いなど高性能であり、とりわけ高周波帯での理論損失では他の追随を許しません。これまで半世紀以上にわたって半導体材料の花形であり続けたシリコンを、化合物半導体が放逐する日がいずれ来るかもしれませんね。

 

関連サイト

酸化ガリウムの新規ワイドギャップ半導体としての電子デバイス応用へ向けた技術開発課題(国立研究開発法人科学技術振興機構 低炭素社会戦略センター

PC Watch 福田昭のセミコン業界最前線

サンケン電気

関連書籍

[amazonjs asin=”4274216802″ locale=”JP” title=”実践パワーエレクトロニクス入門 パワー半導体デバイス”] [amazonjs asin=”B07K9GVRYY” locale=”JP” title=”図解入門 よくわかる最新パワー半導体の基本と仕組み第2版”] [amazonjs asin=”4563035009″ locale=”JP” title=”化合物半導体デバイス入門”] [amazonjs asin=”4563034665″ locale=”JP” title=”化合物半導体の基礎物性入門”]
gaming voltammetry

berg

投稿者の記事一覧

化学メーカー勤務。学生時代は有機をかじってました⌬
電気化学、表面処理、エレクトロニクスなど、勉強しながら執筆していく予定です

関連記事

  1. 自動車排ガス浄化触媒って何?
  2. キラルな八員環合成におすすめのアイロン
  3. キョウチクトウ科植物に含有される多量体型アルカロイドの完全化学合…
  4. インドの化学ってどうよ
  5. 炭素をつなげる王道反応:アルドール反応 (4)
  6. Nazarov環化を利用した全合成研究
  7. 磁石でくっつく新しい分子模型が出資募集中
  8. 化学系学生のための就活2020

注目情報

ピックアップ記事

  1. 光学活性なα-アミノホスホン酸類の環境に優しい新規合成法を開発
  2. 宇宙なう:結晶生成サービス「Kirara」を利用してみた
  3. ケムステイブニングミキサー2017ー報告
  4. 第66回―「超分子集合体と外界との相互作用を研究する」Francesco Stellacci教授
  5. 【早期申込特典あり|Amazonギフト5000円】第2弾!研究者向け研究シーズの事業化を学べるプログラムの応募を受付中 ★交通費・宿泊費補助あり
  6. 論文コレクター必見!WindowsでPDFを全文検索する方法
  7. ポンコツ博士の海外奮闘録 外伝① 〜調剤薬局18時〜
  8. γ-チューブリン特異的阻害剤の創製
  9. ルイス酸性を持つアニオン!?遷移金属触媒の新たなカウンターアニオン”BBcat”
  10. 抗ガン天然物インゲノールの超短工程全合成

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2020年9月
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930  

注目情報

最新記事

第43回メディシナルケミストリーシンポジウム@京都

テーマ「創薬化学の新たな潮流 多彩なアプローチで未来を創る」 日時2026年11月11日…

圧力は「設定値」だけで決まらない【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

査読に AI を使われた体験談

生成 AI の普及は加速しており、調べもの、英文校閲など研究者の皆さんも活用していることと思います。…

フィーゼルマン チオフェン合成/Fiesselmann Thiophene Synthesis

概要フィーゼルマン チオフェン合成(Fiesselmann Thiophene Synthesi…

“とび跳ねる水滴”に潜む物理 〜接触時間とエネルギー源で読む撥水・防氷のテク〜

熱したフライパンに落ちた水滴が、玉になってコロコロと走り回り、冷えた面では、結露水が合体した瞬間に跳…

AI時代に研究者がすでに持っている力・これから伸ばしたい力

論文要約や文献検索など、研究現場でもAI活用が日常化する一方、「自分の仕事の先行き」に漠然とした不安…

miHub®を活用した探索的データ解析の実践

開催概要研究開発においてデータ活用が進む中、機械学習モデルの構築や予測解析に…

“ある特効薬”のはなし ~本田宗一郎氏の回想から

Tshozoです。最近実家に戻っては色々と廃棄するなどの店じまいを少しずつ進めているのですが、中…

高分子鎖を束ねた新しい共重合体「束状共重合体」が誕生

第715回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院 工学系研究科(植村研究室)に所属されていた亀谷…

2026年「有機溶媒危機」へのアンサー。北大発・メカノクロスが挑む、溶媒に依存しない新たな合成法 = “メカノケミカル有機合成”の社会実装

株式会社メカノクロスは、メカノケミカル有機合成技術の社会実装に挑む北海道大学発の…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP