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

(1)

ナノ・量子効果デバイス

前澤宏一

この講義のねらい

• 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

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

(2)

半導体

• intermediate conductivity (10

-3

_{cm --- 10}

8

_cm)

• possible to modulate electron/hole concentration

　　sensitive to electric field, light, temperature, ...

化合物半導体とは何か？

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.

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

光 E k E k e h e h GaAs _Si 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

Si In_0.5Ga0.5As GaAs V e lo c it y 1 0 7c m /s Electric Field (kV/cm) 1 2 3 0 10 20

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)

GaAs Eg=1.4 eV Si Eg=1.1 eV

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,...

•Siでは主として

Si

_x

Ge

_1-x

のみ

(3)

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

p-GaAs n-Al0.3Ga0.7As Conduction Band Valence Band 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)

化合物半導体はどこで使われているか？　II

Ultrahigh speed switching Microwave, millimeter-wave Gbit/s --> Tbit/s GHz --> THz Mobile Communication Satellite Broadcasting Optical Communication Radio Astronomy

III-V Compound Semiconductors

GaAs MMIC

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

(4)

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

その他、３００GHｚ以上のアンプや、発振器も報告されている

InP HEMTのApplication例

パワー応用

• 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

(5)

量子効果デバイス

In extremely small structure, quantum mechanics dominates.

Quantum mechanics

particle <---> wave

Light behaves like particles, and electrons behave like wave.

Using these phenomena to fabricate new devices!

半導体中での重要な量子効果

Tunneling e-Quantum mech. Newton mech. e-Interference 有効質量が小さいほど量子効果は重要となる 化合物半導体

共鳴トンネルダイオード

electron conduction band quantum well quantum level AlAs barrier n-GaAs undoped AlAs undoped GaAs undoped AlAs n-GaAs GaAs Layer Structure

共鳴トンネルダイオードの格子像

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!

e-phonon

Phonons moving to all directions can scatter electrons.

2D 1D

e-Phonon scattering probability is quite small because only the backscattering (180 degree scattering) is allowed.

(6)

0次元構造　単電子素子

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)

単電子トランジスタ　SET

カーボンナノチューブ

Gd@C82ピーポッドのTEM像 •直径：1 nm ~ •理想的な一次元量子細線 1 nm ⇒　超高密度VLSIの構築

量子コンピューティング

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

Mooreの法則

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

ナノ・量子効果デバイス

前澤宏一