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4枚組

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講義で必要なもの
筆記用具
エレクトロニクス材料評価技術
理工学部・材料機能工学科
岩谷 素顕
[email protected]
ファイル
スライドのコピー(各自で印刷すること)
1-2
1-1
講義の進め方
履修上の注意事項
 講義+演習形式
 私語厳禁
 毎回スライドのコピー・関数電卓を持参すること
アドレス:http://nitride.meijo-u.ac.jp/iwaya/index.htm
 成績評価
レポート点20点、定期試験80点
 レポートは講義中に指定する予定





1-3
1-4
発言は歓迎します!!分からない時は挙手して質問
すること。講義中に友達に聞くのも駄目!!
講義はできるだけ前の方の席で聞いて下さい
携帯電話の電源はマナーモードにする
講義を受けるべき態度は守ってください
予習は不要ですが、復習は必ず行って下さい
講義終了後の質問は歓迎します!
講義を受ける注意点
本講義で学ぶこと
 出席は講義中の演習問題でとります
 作製した材料をどのような評価するのかの技術の概
 上記の演習による出席が2/3に満たない場合は欠格
略と原理を学ぶ
 実験装置に関しても学ぶ
 その他、HPに連絡事項が出る可能性があります
所望のデバイス
評価
材料作製
1-5
1-6
7/20
2. Creation of GaN single crystal with excellent quality
(3) Innovation in MOVPE growth method (1985)
Creation of high-quality GaN (1985)
Low-temperature (LT-) buffer layer
Until 1985
Sapphire(0001)
LT-buffer (20~50 nm) ~500 oC
GaN
Direct growth
(Common method)
GaN grown by MOVPE
Sapphire
(3)
Many cracks, pits
Crack-free, pit-free
Rough surface
newlydeveloped
Dislocations: >
Specular surface
1011
cm-2
Free electron conc. >1019 cm-3
Key technologies:
(1) Much higher-speed gas flow (425 cm/sec)
Electron mobility: ~20
(2) Substrate inclined at a 45-degree angle
Weak luminescence
(3) Deposition of thin AlN buffer layer at about 500 oC,
oC
(b)
2mm
GaN island crystal
(2)
before the growth of GaN single crystal at about 1000
GaN grown by MOVPE using LT-buffer
H. Amano
LT-buffer layer
High-quality
GaN ~ 1000 oC
LT-buffer
Since the late 1985
GaN grown by HVPE
425 cm/sec
(1)
8/20
2. Creation of GaN single crystal with excellent quality
cm2/V・s
Dislocations: 108-109 cm-2
Free electron conc. < 1016 cm-3
Electron mobility: ~700 cm2/V・s
Intense luminescence
Crystal quality, electrical property, and luminescence property
were dramatically improved at the same time
材料開発の一般的な流れ
新材料開発段階の評価
 新材料開発段階の評価
 組成の評価
 材料の品質向上での評価
 電気的特性の評価(抵抗率・キャリア濃度・移動度)
 デバイス化プロセスでの評価
 光学的な特性評価
 デバイス評価
 結晶構造の完全性
 システム評価
1-9
1-10
材料の品質向上での評価
デバイス化プロセスでの評価
 原料の純度
 モニター評価(その場観察技術)
 結晶の純度
→各プロセス加工中の評価項目
 ウェハ加工表面
 拡散・イオン注入・熱処理
 界面(絶縁体/半導体、金属/半導体等)
 電極及び配線
 結晶の不完全性
 結晶の電気的特性
 結晶の光学的特性
 ウェハーの性質
1-11
1-12
デバイス評価
システム評価
 デバイス特性の評価
 システム構成を行ったことによる性能評価
 信頼性の評価
TEG(Test Element Group)、EBIC等による評価
1-13
1-14
結晶の不完全性
外因性
(不純物原子)
結晶の不完全性と評価
点欠陥
結晶の不完全性とその評価方法
置換型不純物
格子間不純物
空孔・複空孔・クラスタ
内因性
(構成原子による固 格子間原子
有欠陥)
逆置換原子
らせん転位
線欠陥(転位)
混合転位
刃状転位
面欠陥と線欠陥の複合体
面欠陥
転位ループ
小傾斜角粒界
積層欠陥
双晶面
表面・界面
その他
1-15
1-16
ひずみ、クラック
組成のずれ・揺らぎ
各欠陥の詳細:点欠陥(イメージ図)
Si
Si
各欠陥の詳細:点欠陥(イメージ図)
置換型不純物
P
Si
Si
Si
Si
1-17
格子間不純物
H
Si
1-18
各欠陥の詳細:点欠陥(イメージ図)
Si
Si
1-19
Si
Si
各欠陥の詳細:点欠陥(イメージ図)
空孔
Si
Si
Si
複空孔:空孔が複数集まったもの
クラスタ:空孔が固まりになったもの
格子間原子
Si
Si
Si
1-20
Si
Si
各欠陥の詳細:点欠陥(イメージ図)
例:GaAs
演習; Siにおいて単位体積当たり(1㎝3)何個のSi原子が含まれているかを
計算によって求めなさい。Siの格子定数は5.430 Åである。
GaAsの場合GaとAsが交互に
並ぶのが正常
z
Ga
1
1
8   6  4  8
8
2
As
8
 5.0 10 22 [cm 3 ]
(5.43 10 10 ) 3
逆置換原子
a2
Ga
x
y
a1
閃亜鉛鉱構造の
単位胞
1-21
1-22
半導体における不純物:濃度はどれくらいか?
エミッタ:E
正イオン密度
負イオン密度 1018
 20[ ppm]
ベース:B
5 10 22
 目的
① キャリア密度プロファイルの解析
② 技術的制約から汚染という形で半導体結晶内部に
混入する原子の種類、量、汚染経路をつきとめる
~1018cm-3
コレクタ:C
npn Tr
不純物の解析
~1016cm-3
1015
 20[ ppb]
5 10 22
Siの原子密度 : 5.0 10 22 [cm 3 ]
1-23
~1015cm-3
1-24
n型半導体(npn-TrにおけるE、C)
不純物原子の分類の仕方
ドナーであるか、アクセプタであるか?
キャリア密度・フェルミ準位に影響
置換型であるか格子間型であるか?
固溶限界、拡散のしやすさが異なる
浅い不純物か深い不純物か?
価電子帯制御、補償、キャリア寿命に関
する関係
その他、良く使われる不純物の呼称
両性不純物(III-V族半導体のIV族元素)
等価電子トラップ(GaP中のN原子など)
多価の不純物(遷移金属など)
Si
一つ余った
電子
14族のシリコンの中に15族の元素
Si
燐(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)
などが少量混じっている。
P
Si
Si
共有結合
燐(P)の最外殻電子
(3s)2(3p)3 →5個
1-25
1-26
n型半導体
自由電子(自由に動く)
(負電荷)
-
エネルギーバンドにおけるドナーのエネルギー
Si
- 伝導帯電子
Si
Si
Si
Si
P+
Si
Si
P
P+
Si
Si
Si
1-27
Si
強い
共有結合
Si
固定電荷(動かない)
(正イオン)
価電子帯電子
1-28
ドナーから供給される自由電子の
エネルギー固有値
一価のプラス
イオン
Si
Si
Si
P+
どういう原子が不純物半導体に適切か?
Siの場合
もし、P原子から離れると
伝導帯電子となる。
-
p型
n型
P+と、伝導帯に励起された電子
Si
イオン化した場合、
水素原子と類似
活性化と呼ぶ.
シュレーディンガー方程式を使って、エネルギーを求める。
1-29
1-30
どういう原子が不純物半導体に適切か?
エレクトロニクス材料の電気的性質
GaN、GaAs等のIII-V族化合物半導体の場合
p型/n型
n型
両性不純物
p型
電気材料の抵抗: R  
l
ρ:抵抗率(Ωcm)
S
p型
長さl(cm)
断面積S(cm-2)
一般的にはcgs単位系を使うことが多い:電子材料の場合
SI単位系に直すのであればcm→mに変更
1-31
1-32
抵抗率ρ、導電率(電気伝導率)σ

抵抗率と導電率の関係:
1
移動度とは?
電界が小さい場合

j  E
導電率の定義:
j:電流密度[A/cm2]
E:電界[V/cm]
j [A/cm ] [1/Ωcm]
⇒
[V/cm]
もしくは[S/cm]
E
E 1
[Ωcm]
 
j 

σの単位は?
ρの単位は?
抵抗率を決めているのは
・・・・キャリア濃度、移動度、電子の素電荷
[s]
[g]
[cm/s]
2
電子は-の電荷を持っている
E: 電界 [V/cm]
電子のドリフト速度は外部電界に比例する
1-33
1-34
抵抗率を決めているのは
・・・・キャリア濃度、移動度、電子の素電荷
移動度の単位は?
[cm2/Vs]
不純物半導体の評価方法
キャリア濃度:n型半導体の場合は自由電子
n型半導体
p型半導体
正孔の動き
-
-
-
-
単位体積当たりの自由電子の濃度[cm-3]
電流の向き
電子の動き
電流の向き
  en
素電荷[C]
移動度[cm2/Vs]
電子濃度[cm-3]
1-35
[C/cm V s] = [C/s cm V]=[S/cm]
A
1-36
p型:正孔により電気伝導
n型:電子により電気伝導
電流の向きは同じ
p型・n型の判定ができない
n型 p型の判別 ホール効果
n型 p型の判別 ホール効果
ホール効果を使うと、半導体がn型であるかp型であるかの判
別ができる。
A→Cへ電流を流す。
端子BD間の電圧測定
したとき、磁界をかけ
端子B ないときに比べ、磁界
をかけたときの方が端
子Bの電圧が正になっ
た。この半導体はn型
かp型か?
端子D
磁界の向き
n型の場合
端子A
端子A
磁界の向き
v
端子B
端子D
B

 
f  e  v  B
端子C
端子C
1-37
A → Cへ電流を流す。
電子の
運動の方向

f
ローレンツの力による
電子の運動
端子Bが負電圧になる。
1-38
n型 p型の判別 ホール効果
端子A
A → Cへ電流を流す。
磁界の向き
B
端子B
端子D

 
f  e v  B
正孔の
運動の方向
端子C
1-39
ホール測定で分かること
p型の場合

ホール測定では 抵抗率ρ(導電率1/ρ)・移動度μ・キャリア濃度n
(or p)の全部を決めることができる
f
n型半導体の抵抗率・移動度・キャリア濃度の関係式

ローレンツの力による
v
正孔の運動
端子Bが正電圧になる。
1
en
e:電子の素電荷
p型半導体の抵抗率・移動度・キャリア濃度の関係式
1-40

1
ep
ホール効果測定でわかること
ホール効果測定でわかること
半導体の抵抗率を求めるには?
半無限の半導体板を考える。
I
I
抵抗率
端子A
r
van der Pauwの測定法
磁界の向き
端子D
端子B
I
E
より
E  
     jdr
-I
C
d
d
r
A
D
Bから流入する電流Iが、Aに作る電位
1-43

I
厚さ t
I
j
 t  r
1
-I
r
B
j  E 
ホール効果測定でわかること
I
rAB=d
D
1-42
ホール効果測定でわかること
A
C
厚さ t
j:電流密度
E:電界
:電位
:導電率
:抵抗率
端子C
1-41
B
A
 AB    
rAB

I rAB 1
jdr   
dr



 t r
rAB=d
B
VAD=AB+AC-(DB+DC)=
d
C
d
D
厚さ t
( I ) 2 d 1
( I ) d 1 
I d 1
I 2d 1

dr 
dr   
dr 
dr 



  t  r
  t  r
  t  r
  t  r 

I
 2  
 ln(2)
 t

1-44
ホール効果でわかること
ホール効果測定でわかること
ホール効果測定でわかること
z平面
d
d
A
B
C
任意形状のサンプルへの変換
A
w平面
x
d
D
等角写像法(Schwartz-Christofell変換)
1
1
1
1

dw



 C1  z 2   z  d  2  z  2d  2   z  3d  2
dz
D
B
BC間に一定電流を流し、AD間の
電位差を観測する。
A
D
B
という対応をつけると、二つは等価

C
(電気磁気学を復習しましょう!)
C
(実際は、三つ以上の点が同一線上になけ
れば、任意形状に対し、対応可能)
1-45
1-46
ホール効果測定でわかること
次にキャリア濃度nと移動度を求める。
簡単のために、キャリアは一種類、即ち電子または正孔とする。
移動度とは? vd=E ドリフト速度と電界の比例定数
j=E
より
n型半導体の場合
j=e×n×v=enE

1

VAD  2  ln(2) 
 t
V
2  ln(2) I

実際には、形状の違いを補正するため、2箇所で測定し
て形状の違いに基づく平均化を行います。
ホール効果測定でわかること
磁界B
A
b
B
電子は、ローレンツ力によりD方向に力を受ける。
→ Dのポテンシャルが高くなる。
(ホール電界が発生する。)
→ ローレンツ力とホール電界がつりあう。
D
evB=eEH
また、BDのところで
IAC=jAC×b×t=envbt
 en
C
従って、ホール電圧VHは、
VH  VBD ( B )  VBD ( B  0)  b  E H
 bvB  ()
1-47
I BC
  より
 t
1-48
bB
1 B
I AC  ()
I AC
enbt
en t
ホール効果測定でわかること
まとめ
キャリア濃度n[cm-3],
半導体の抵抗率・cm],
移動度cm2/V・sを求めるには?
 講義のガイダンス
 格子欠陥の種類
1.半導体試料の膜厚tを測定する。
2.隣り合う二点間に一定電流を流し、残りの二点間の電圧を測定する。

 t
 ホール効果測定の説明
V
の関係より、抵抗率が求まる。
2  ln(2) I

3.対角線上に一定電流を流し、磁界がゼロのときと、一定磁界を加え
たときの残りの二点間の電圧の差を測定する。
n
1B I
e t VH
1
1-49
より、キャリア濃度nが求まる。
1
 
 en

1 1

より、移動度が求まる。
en 
1-50
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