半導体材料 – HiSoUR 芸術文化美術歴史

半導体材料は名目上はバンドギャップが小さい絶縁体である。半導体材料の画定特性は、制御可能な方法でその電子特性を変える不純物でドープすることができることである。

トランジスタやレーザー、太陽電池などのコンピュータや太陽光産業に応用されているため、新しい半導体材料の探索や既存の材料の改良は材料科学の重要な研究分野です。

最も一般的に使用される半導体材料は、結晶無機固体である。これらの物質は、それらの構成原子の周期表のグループに従って分類される。

異なる半導体材料はその特性が異なる。従って、シリコンと比較して、化合物半導体は利点と欠点の両方を有する。例えば、ヒ化ガリウム（GaAs）は、シリコンよりも6倍高い電子移動度を有し、より高速な動作が可能である。より広い温度範囲で電力デバイスを動作させることができ、室温で低電力デバイスに低い熱雑音を与える。その直接的なバンドギャップは、シリコンの間接的なバンドギャップよりも好ましい光電子特性を与える。調整可能なバンドギャップ幅を有し、選択された波長で発光を可能にし、例えば光ファイバにおける損失が最も少ない波長に適合させることを可能にする三元および四元組成物に合金化することができる。 GaAsは半絶縁性の形でも成長することができ、これはGaAsデバイスの格子整合絶縁基板として適している。逆に、シリコンは堅牢で安価であり、加工が容易であるが、GaAsは脆くて高価であり、酸化物層を成長させるだけでは絶縁層を形成することができない。したがって、GaAsは、シリコンが十分でない場合にのみ使用される。

複数の化合物を合金化することによって、いくつかの半導体材料は、例えば、バンドギャップまたは格子定数において調整可能である。その結果は、三成分、四成分、または五成分である。三元組成物は、関与する二元化合物の範囲内でバンドギャップを調整することを可能にする。しかし、直接的および間接的なバンドギャップ材料の組み合わせの場合、間接バンドギャップが占める割合があり、オプトエレクトロニクスに使用可能な範囲が限定される。例えばAlGaAs LEDはこれにより660nmに制限される。化合物の格子定数もまた異なる傾向があり、混合比に依存して基板に対する格子不整合は、ミスマッチの大きさに依存する量の欠陥を引き起こす。達成可能な放射/非放射再結合の比率に影響し、デバイスの発光効率を決定する。第四級およびそれ以上の組成物は、バンドギャップと格子定数を同時に調節することができ、より広い波長範囲で放射効率を高めることができる。例えば、AlGaInPがLEDに使用される。生成された光の波長に対して透明な材料は、材料のバルクからの光子のより効率的な抽出を可能にするので、有利である。すなわち、このような透明材料では、光の生成は表面のみに限定されない。屈折率も組成に依存し、材料からの光子の抽出効率に影響を与える。

半導体材料の種類
IV族元素半導体、（C、Si、Ge、Sn）
IV族化合物半導体
VI族元素半導体、（S、Se、Te）
III-V族半導体：化学量論比が高い結晶化は、n型とp型の両方で最も得られる。多くの場合、高キャリア移動度と直接的なエネルギーギャップがあり、オプトエレクトロニクスに役立ちます。
II-VI族半導体：通常p型（但し、n型であるZnTe及びZnOを除く）
I-VII半導体
IV-VI半導体
V-VI半導体
II-V族半導体
I-III-VI2半導体
酸化物
層状半導体
磁気半導体
有機半導体
電荷移動錯体
その他

化合物半導体
化合物半導体は、少なくとも2種の異なる化学元素からなる半導体化合物である。これらの半導体は、典型的には、ホウ素グループ（旧グループIII、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム）およびグループ15（旧グループV、窒素）の元素の周期表13〜15（旧グループIII〜、リン、ヒ素、アンチモン、ビスマス）。これらの元素はバイナリー（2つの元素、例えば砒化ガリウム（GaAs））、3元（3元素、例えばインジウムガリウム砒素（InGaAs））および4元（4元素、例えばアルミニウムガリウムインジウムリン（AlInGaP））合金である。

製作
有機金属気相成長法（MOVPE）は、デバイス用の化合物半導体薄膜の形成のための最も一般的な堆積技術である[要出典]。これは、水素などの雰囲気ガス中の前駆物質原料として超高純度の金属有機物および/または水素化物を使用する。

他の選択方法としては、

分子線エピタキシー（MBE）
水素化物気相エピタキシ（HVPE）
液相エピタキシー（LPE）
有機金属分子線エピタキシー（MOMBE）
原子層堆積（ALD）

半導体材料の表

グループ	エレム	材料	式	バンドギャップ（eV）	ギャップタイプ	説明
IV	1	ダイヤモンド	C	5.47	間接	優れた熱伝導率。優れた機械的および光学的特性。非常に高いナノ機械共振器品質係数。
IV	1	シリコン	Si	1.12	間接	従来の結晶シリコン（c-Si）太陽電池で使用され、薄膜太陽電池ではアモルファスシリコン（a-Si）として非晶質形態で使用されます。光起電力の最も一般的な半導体材料。世界の太陽光発電市場を圧倒します。簡単に製造することができます。良好な電気的および機械的特性。絶縁のために高品質の熱酸化物を形成します。集積回路の製造に使用される最も一般的な材料。
IV	1	ゲルマニウム	Ge	0.67	間接	早期のレーダ検出ダイオードおよび第1のトランジスタに使用される。シリコンより純度が低い。高効率多接合光電池用基板。ガリウム砒素と非常によく似た格子定数。ガンマ分光法に使用される高純度の結晶。ウィスカーが成長し、一部のデバイスの信頼性が損なわれることがあります。
IV	1	グレースズ、 α-Sn	Sn	0.00、 0.08	間接	低温同素体（ダイヤモンド立方格子）。
IV	2	炭化ケイ素、3C-SiC	SiC	2.3	間接	初期の黄色LEDに使用
IV	2	炭化ケイ素、4H-SiC	SiC	3.3	間接
IV	2	炭化ケイ素、6H-SiC	SiC	3.0	間接	初期の青色LEDに使用
VI	1	硫黄、α- S	S ₈	2.6
VI	1	グレーセレン	セ	1.74	間接	セレン整流器で使用されます。
VI	1	レッドセレン	セ	2.05	間接
VI	1	テルル	テ	0.33
III-V	2	窒化ホウ素、立方晶	BN	6.36	間接	紫外LEDに潜在的に有用
III-V	2	窒化ホウ素、六方晶系	BN	5.96	疑似直接	紫外LEDに潜在的に有用
III-V	2	窒化ホウ素ナノチューブ	BN	〜5.5
III-V	2	リン化硼素	BP	2	間接
III-V	2	ホウ素ヒ化物	BA	1.14	直接	放射線損傷に抵抗性があり、ベタボタルでの可能性がある。
III-V	2	ホウ素ヒ化物	B₁₂As₂	3.47	間接	放射線損傷に抵抗性があり、ベタボタルでの可能性がある。
III-V	2	窒化アルミニウム	AlN	6.28	直接	圧電性。半導体として単独で使用することはできません。おそらく紫外LEDに使用可能なAlN閉じ込めGaAlN。 210nmでの非効率な発光がAlN上で達成された。
III-V	2	アルミニウムリン化物	AlP	2.45	間接
III-V	2	アルミニウム砒素	AlAs	2.16	間接
III-V	2	アルミニウムアンチモン	AlSb	1.6 / 2.2	間接/直接
III-V	2	窒化ガリウム	GaN	3.44	直接	p型へのドーピング、Mgによるp型ドーピング、アニールによる第1の高効率青色LEDの問題青色レーザ。 ESDに非常に敏感です。宇宙船ソーラーパネルに適した電離放射線に鈍感です。 GaNトランジスタは、マイクロ波電力増幅器に使用されるGaAsよりも高い電圧および高い温度で動作することができる。例えばマンガンでドープすると、磁性半導体となる。
III-V	2	リン化ガリウム	ギャップ	2.26	間接	初期の低〜中輝度の安価な赤/オレンジ/緑のLEDに使用されます。スタンドアローンまたはGaAsPを使用。黄色と赤色の光に対して透明で、GaAsP赤色/黄色LEDの基板として使用されます。 n型ではSまたはTeで、p型ではZnでドープされる。純粋なGaPが緑色に、窒素がドープされたGaPが黄緑色に、ZnOがドープされたGaPが赤色に発光する。
III-V	2	ガリウム砒素	GaAs	1.43	直接	他のIII-V半導体、例えばInGaAsおよびGaInNAsのための基板として一般的に使用されるシリコンの後に使用される第2のものである。脆い Si、P型CMOSトランジスタよりも低いホール移動度が実現不可能。不純物密度が高く、小さな構造を作るのが難しい。近赤外線LED、高速電子機器、高効率太陽電池に使用されます。ゲルマニウムと非常によく似た格子定数は、ゲルマニウム基板上で成長することができる。
III-V	2	アンチモン化ガリウム	GaSb	0.726	直接	赤外線検出器、LED、熱光発電に使用されます。 Teを用いてnをドーピングし、pをZnでドーピングする。
III-V	2	窒化インジウム	宿	0.7	直接	太陽電池で使用可能ですが、p型ドーピングは困難です。合金として頻繁に使用されます。
III-V	2	リン化インジウム	InP	1.35	直接	エピタキシャルInGaAsの基板として一般的に使用される。高出力および高周波アプリケーションで使用される優れた電子速度。オプトエレクトロニクスで使用されます。
III-V	2	インジウム砒素	InAs	0.36	直接	1-3.8μm赤外線検出器に使用され、冷却または非冷却。高い電子移動度。InGaAsマトリックス中のInAsドットは、量子ドットとして機能することができる。 InPまたはGaAs上のInAsの単層から量子ドットを形成することができる。テラヘルツ放射源として使用される強力な光 – デベン・エミッタ。
III-V	2	アンチモン化インジウム	InSb	0.17	直接	赤外線検出器および熱画像センサに使用される、高量子効率、低安定性、軍用の長距離熱画像システムで使用される冷却が必要です。量子井戸として使用されるAlInSb-InSb-AlInSb構造。非常に高い電子移動度、電子速度および弾道長。トランジスタは0.5V以下、200GHz以上で動作します。おそらくテラヘルツの周波数が達成可能である。
II-VI	2	セレン化カドミウム	CdSe	1.74	直接	量子ドットとして使用されるナノ粒子。真性n型、p型ドープは困難であるが、窒素でp型ドープすることができる。オプトエレクトロニクスでの可能な使用。高効率太陽電池のテスト済み。
II-VI	2	硫化カドミウム	CdS	2.42	直接	フォトレジスタや太陽電池に使用されます。 CdS / Cu ₂ Sは、最初の効率的な太陽電池でした。 CdTeを含む太陽電池に使用される。量子ドットとして一般的です。結晶は、固体レーザとして作用することができる。エレクトロルミネッセンス。ドープされると、蛍光体として作用することができる。
II-VI	2	カドミウムテルライド	CdTe	1.49	直接	CdSを含む太陽電池に使用される。薄膜太陽電池およびその他のテルル化カドミウム太陽電池に使用される。結晶シリコンよりも効率が低いが、安価である。電気光学変調器で使用される高い電気光学効果。 790nmでの蛍光。量子ドットとして使用可能なナノ粒子。
II-VI、酸化物	2	酸化亜鉛	ZnO	3.37	直接	光触媒。バンドギャップは、酸化マグネシウムおよび酸化カドミウムとの合金化によって3〜4eVに調整可能である。真性n型、p型ドーピングは困難である。重いアルミニウム、インジウム、またはガリウムのドーピングは、透明導電性コーティングを生じる。 ZnO：Alは、可視領域および反射領域において透明なウィンドウコーティングとして、およびインジウムスズ酸化物の代わりにLCDディスプレイおよびソーラーパネルにおける導電膜として使用される。放射線被害に強い LEDとレーザーダイオードの可能な使用。ランダムレーザーの可能な使用。
II-VI	2	セレン化亜鉛	ZnSe	2.7	直接	青色レーザーとLEDに使用されます。容易にn型ドーピングするために、p型ドーピングは困難であるが、例えば窒素で行うことができる。赤外線光学系の一般的な光学材料。
II-VI	2	硫化亜鉛	ZnS	3.54 / 3.91	直接	バンドギャップ3.54eV（立方体）、3.91（六方晶系）。 n型とp型の両方にドープすることができます。適切にドープされた場合の一般的なシンチレータ/リン光体。
II-VI	2	亜鉛テルライド	ZnTe	2.25	直接	AlSb、GaSb、InAs、およびPbSe上で成長させることができる。太陽電池、マイクロ波発生器、青色LED、レーザーのコンポーネントに使用されます。電気光学に使用されます。テラヘルツ放射を生成するために使用されるニオブ酸リチウムと一緒に。
I-VII	2	塩化第一銅	CuCl	3.4	直接
I-VI	2	硫化銅	Cu₂ S	1.2	間接	p型、Cu ₂ S / CdSは、最初の効率的な薄膜太陽電池
IV-VI	2	セレン化鉛	PbSe	0.27	直接	赤外線検出器で熱イメージングに使用されます。量子ドットとして使用可能なナノ結晶。良好な高温熱電材料。
IV-VI	2	硫化鉛（II）	PbS	0.37		鉱物ガレナ、実用の最初の半導体、猫のウィスカー検出器で使用される; 検出器はPbSの高誘電率のために遅い。赤外線検出器で使用される最も古い材料。室温ではSWIRを検出することができ、より長い波長は冷却が必要です。
IV-VI	2	リードテルライド	PbTe	0.32		低い熱伝導率、熱電発電機の高温における良好な熱電材料。
IV-VI	2	スズ硫化物	SnS	1.3 / 1.0	直接的/間接的	錫硫化物（SnS）は、1.3eVを超える光子エネルギーに対して、直接的な光学バンドギャップが1.3eVであり、吸収係数が10 ⁴ cm ^-1を超える半導体である。これは、ドーピングおよび構造改質によって電気特性を調整することができるp型半導体であり、10年以来、薄膜太陽電池のための単純で無毒で手頃な材料の1つとして浮上してきた。
IV-VI	2	スズ硫化物	SnS ₂	2.2		SnS ₂は、ガス検知用途に広く使用されている。
IV-VI	2	錫のテルライド	SnTe			複雑なバンド構造。
IV-VI	3	鉛錫テルライド	PbSnTe			赤外線検出器や熱イメージングに使用されます。
IV-VI	3	タリウム錫テルライド	Tl₂SnTe₅
IV-VI	3	タリウムゲルマニウムテルライド	Tl₂GeTe₅
V-VI、層状	2	ビスマステルライド	Bi₂Te₃			セレンまたはアンチモンと合金化すると、室温近くの効率的な熱電材料。狭ギャップ層状半導体。高い電気伝導率、低い熱伝導率。トポロジカル絶縁体。
II-V	2	リン化カドミウム	Cd₃ P₂
II-V	2	カドミウムヒ化物	Cd₃As₂	0.14		N型真性半導体。非常に高い電子移動度。赤外線検出器、光検出器、動的薄膜圧力センサ、磁気抵抗器などに使用されます。最近の測定では、3D Cd ₃As ₂は実際には電子がグラフェンのように相対論的に挙動するゼロバンドギャップDirac半金属であることが示唆されている。
II-V	2	アンチモン化カドミウム	Cd₃Sb₂
II-V	2	リン化亜鉛	Zn₃ P₂	1.5	直接
II-V	2	亜鉛砒素	Zn₃As₂
II-V	2	アンチモン化亜鉛	Zn₃Sb₂			赤外線検出器、熱イメージャ、トランジスタ、磁気抵抗器などに使用されます。
酸化物	2	二酸化チタン、アナターゼ	TiO ₂	3.2	間接	光触媒性、n型
酸化物	2	二酸化チタン、ルチル	TiO ₂	3.02	直接	光触媒性、n型
酸化物	2	二酸化チタン、ブルーカイト	TiO ₂	2.96
酸化物	2	酸化銅（I）	Cu₂ O	2.17		最も研究されている半導体の1つです。多くのアプリケーションとエフェクトが最初に実証されました。以前はシリコンの前に整流器ダイオードで使用されていました。
酸化物	2	酸化銅（II）	CuO	1.2		P型半導体。
酸化物	2	二酸化ウラン	UO₂	1.3		高温に耐える高いゼーベック係数、有望な熱電および熱光起電性アプリケーション以前はURDOX抵抗器で使用され、高温で伝導していました。放射線被害に強い
酸化物	2	三酸化ウラン	UO₃
酸化物	2	三酸化ビスマス	Bi₂ O₃			イオン伝導体、燃料電池への応用。
酸化物	2	二酸化チタン	SnO ₂	3.7		酸素欠乏n型半導体。ガスセンサーで使用されます。
酸化物	3	チタン酸バリウム	BaTiO ₃	3		強誘電性、圧電性。いくつかの冷却されていない熱画像装置で使用されます。非線形光学で使用されます。
酸化物	3	チタン酸ストロンチウム	SrTiO ₃	3.3		強誘電性、圧電性。バリスタに使用されます。ニオブがドープされていると導電性を示す。
酸化物	3	ニオブ酸リチウム	LiNbO₃	4		強誘電性、圧電性、ポッケルス効果を示す。電気光学およびフォトニクスにおける幅広い用途。
酸化物	3	ランタン銅酸化物	La₂CuO ₄	2		バリウムまたはストロンチウムでドープされた超伝導
層状	2	ヨウ化鉛（II）	PbI₂
層状	2	モリブデンジスルフィド	MoS ₂	1.23eV（2H）	間接
層状	2	ガリウムセレン化物	GaSe	2.1	間接	感光体。非線形光学での使用。
層状	2	スズ硫化物	SnS
層状	2	ビスマス硫化物	Bi₂ S₃
磁気希釈（DMS）	3	ガリウムマンガン砒素	GaMnAs
磁気希釈（DMS）	3	インジウムマンガン砒素	InMnAs
磁気希釈（DMS）	3	マンガンテルル化カドミウム	CdMnTe
磁気希釈（DMS）	3	鉛マンガンテルライド	PbMnTe
磁気	4	ランタンカルシウムマンガン酸塩	La_0.7Ca_0.3MnO ₃			巨大磁気抵抗
磁気	2	酸化鉄（II）	FeO			反強磁性
磁気	2	酸化ニッケル（II）	NiO	3.6-4.0	直接	反強磁性
磁気	2	酸化ユーロピウム（II）	EuO			強磁性
磁気	2	硫化ユーロピウム（II）	EuS			強磁性
磁気	2	臭化クロム（III）	CrBr₃
その他	3	銅インジウムセレン化物、CIS	CuInSe ₂	1	直接
その他	3	銀ガリウム硫化物	AgGaS ₂			非線形光学特性
その他	3	リン酸亜鉛	ZnSiP₂
その他	2	ヒ素スルフィド	2S₃として			結晶状態とガラス状態の両方で半導電性
その他	2	硫化ヒ素化合物	4S₄として			結晶状態とガラス状態の両方で半導電性
その他	2	白金シリサイド	PtSi			1〜5μmの赤外線検出器で使用されます。赤外線天文学で使用されます。高い安定性、低いドリフト、測定に使用。低い量子効率。
その他	2	ヨウ化ビスマス（III）	BiI₃
その他	2	ヨウ化水銀（II）	HgI₂			室温で動作するいくつかのガンマ線およびX線検出器およびイメージングシステムで使用されます。
その他	2	臭化タリウム（I）	TlBr			室温で動作するいくつかのガンマ線およびX線検出器およびイメージングシステムで使用されます。リアルタイムX線イメージセンサとして使用されます。
その他	2	硫化銀	Ag₂ S	0.9
その他	2	二硫化鉄	FeS ₂	0.95		鉱物の黄鉄鉱。後のネコのウィスカー検出器で使用され、太陽電池について調査された。
その他	4	銅亜鉛スズスルフィド、CZTS	Cu₂ZnSnS ₄	1.49	直接	Cu ₂ ZnSnS ₄は、CIGSから誘導され、インジウム/ガリウムを土壌に豊富な亜鉛/スズで置き換える。
その他	4	銅亜鉛アンチモン硫化物、CZAS	Cu_1.18Zn_0.40Sb_1.90 S_7.2	2.2	直接	銅亜鉛アンチモン硫化物は、化合物のファルマチナイトクラスの銅アンチモン硫化物（CAS）から誘導される。
その他	3	銅スズスルフィド、CTS	Cu₂SnS ₃	0.91	直接	Cu ₂ SnS ₃はp型半導体であり、薄膜太陽電池用途に使用することができる。