化合物半導体の材料設計と混 晶半導体、エネルギー帯構造

化合物半導体の材料設計と混 晶半導体、エネルギー帯構造

直接遷移形半導体と間接遷移形半導体

半導体の光吸収係数スペクトル

半導体のバンドラインアップ

混晶半導体

• ２以上の半導体の合金

• 混ぜる割合（混晶組成）により中間の物性 混晶組成により変化できる物性定数

• 格子定数 （Vegard則：直線的な変化）

• バンドギャップ

• 屈折率

• 有効質量

３元混晶半導体

• 混晶組成によりバンドギャップと格子定数が変化

• バンドギャップと格子定数を独立に変化させること は不可能

GaAsとInAsの混晶：Ga _1-x In _x As ｘ：混晶組成 0≦ｘ≦1

GaAsとGaPの混晶：GaAs _1-y P _y y：混晶組成 0≦y≦1

Ga _1-x In _x As のバンドギャップエネルギー

Eg(x) = a + bx + cx ² Bowing Parameter c は，0.5 ~ 0.6 eV ．

InP 基板との格子整合 条件下 (x = 0.53)

GaAs _1-y P _y 混晶半導体の組成ｙとバンドギャップ

４元混晶半導体

• 混晶組成ｘ、およびｙの二つの組成

• 格子定数とバンドギャップを独立に変化可能

• 格子整合条件下でバンドギャップを可変

• 光通信用赤外半導体レーザ

• 可視半導体レーザの活性層 例

InAs GaAs InP GaP

In _1-x Ga _x As _1-y P _y

In _1-x Ga _x As _1-y P _y の格子定数とバンドギャップ

In _1-x Ga _x As _1-y P _y の格子定数とバンドギャップ

In

Ga

P

In

Ga

P

III-V族混晶半導体の格子定数とバンドギャップ

Al

Ga

As

Al _x Ga _1-x As混晶半導体

非常に特殊な３元混晶 AlAsの格子定数はGaAsの 格子定数に非常に近い

GaAs: 5.654Å AlAs: 5.661Å Δa/a≒0.1%

GaAs

Al

Ga

Asがエピタキシャル成長可能

1970年に半導体レーザの 室温連続発振に成功

Al _x Ga _1-x As混晶半導体の屈折率

ダブルへテロ構造で

屈折率差による

光の閉じ込めが可能

混合不安定領域 miscibility gap

混晶半導体の自由エネルギー G=

RT{x ln x +(1-x) ln (1-x)} ： 混合のエントロピー

+ x (1-x)Ω

： エンタルピー

Ω

相互作用パラメータ 全ての組成領域が安定であるとは限らない バイノーダル：安定領域と準安定領域の境界組成 スピノーダル：準安定領域と不安定領域の境界組成 結晶成長温度が低いと２つの混晶組成に分離 スピノーダル分解

自由エネルギー

窒化物半導体 窒化物半導体のバンドギャップと格子定数

II-VI半導体

• イオン性が強い。

• 殆どの物質が直接遷移形半導体

• ワイドギャップ半導体はｎ形

• 最近はドーピングによりｐｎ制御可能に

• 青色発光素子が最初につくられた

カルコパイライト半導体

• ＣｕＦｅＳ

：黄銅鉱に由来する結晶構造を持つ

• I-III-VI ₂ とII-IV-V ₂ 族が存在する

• ２つの陽イオンサイトを持つ

• ワイドギャップ半導体でｐ形が得られる

• ナローギャップ系は太陽電池用半導体として

実用化されている