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高周波半導体の基板技術とデバイス応用

  • Substrate Technology and Device Applications of High Frequency Semiconductor
(2006年『高周波半導体材料・デバイスの新展開』普及版)

商品コード: B0968

  • 監修: 佐野芳明・奥村次徳
  • 発行日: 2011年7月
  • 価格(税込): 4,320 円
  • 体裁: A5判,266ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0342-0

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  • 高速通信,大容量通信,化合物半導体,GaAs,GaN,SiC,結晶成長,HEMT,MOVPE

刊行にあたって

 我々を取り巻く情報通信環境は,いま量・質ともに大きく変化している。総務省のデータによるとインターネットにおけるトラヒック(通信量)は平成17年11月の時点で468Gbpsであり,平成18年度中には1Tbpsを超える可能性もあるとのことである。一方,携帯電話からのインターネット接続がPCのそれよりも上回ったとの調査結果もある。
 このように,情報通信量は,半導体デバイスの集積度についてのムーアの法則を上回るスピードで増加の一途をたどり,高速・大容量の情報インフラ整備がより必要になると予想されている。この大容量通信システムを実現するためには高周波で動作する通信用半導体素子が不可欠であり,世界中の多くの研究機関で開発が続けられている。
 当初,シリコンを使ったMOSFETやバイポーラトランジスタが用いられたが,70年代後半に登場した化合物半導体,特にGaAsはシリコンに比べて電子移動度が約5倍大きく,ポストシリコンというキャッチフレーズのもとで多くの研究者を集めた。1980年代,日本では富士通(株)のHEMTの発明や当時の通商産業省による10年間の大型研究プロジェクト(スーパーコンピュータ開発)もあって,材料技術,デバイス化技術の研究が急速に進展し,その成果は世界を圧倒していた。結局,GaAs‐ICによるスーパーコンピュータは実現しなかったものの,その成果は,丁度その頃運用されたばかりであった衛星放送の家庭用パラボラアンテナの小型化や,携帯電話の低消費電力化に大いに貢献し,化合物半導体が通信分野で広く用いられる道を開いた。その後,InP系材料やヘテロ接合バイポーラトランジスタの登場などにより高周波特性が一層進展し,マイクロ波やミリ波領域で動作する化合物半導体素子は現在の高速光通信システムに無くてはならないものとなっている。
 一方,90年代後半より盛んに研究されるようになったシリコンカーバイド,窒化ガリウムなどのワイドギャップ半導体と呼ばれるものは,従来の半導体にはない物性的特徴をもっている。シリコンガーバイドは数千ボルトという超高電圧で動作する素子の実現を目指しており,高効率動作によって発電所や変電所などを省電力化し,電力資源を革新的に有効利用できる可能性がある。また,90年代後半に日本で窒化ガリウムによる高輝度の青色発光素子が生み出され,発光素子分野で大きな変革をもたらしたことは良く知られているが,この材料には他にも,高耐圧特性と高電子速度特性といった物質的特性がある。この特性により,高周波・高出力動作という電子デバイスが期待され,すでに従来の半導体デバイスを大きく凌駕する特性も実証されてきた。
 この間,シリコンデバイスも大きな進展を遂げてきた。SiGe,SOI技術の登場による革新的な構造・製造技術と超微細加工技術を武器として,材料的に限界とされた性能を凌駕しつつある。
 このように,半導体材料技術とデバイス化技術のたゆまぬ進歩から生み出されてきた高周波素子は,今後も進展するユビキタス情報通信社会にとって必須のものである。ここで,最先端の技術開発を担う多数の研究者の協力を得て,材料技術からデバイス作製技術までの最新動向を一冊にまとめ,第一線,及び関連の研究者,技術者への便宜を図ることを本書の狙いとする。 

2006年7月
佐野芳明・奥村次徳


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『高周波半導体材料・デバイスの新展開』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年7月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

監修者
佐野芳明   沖電気工業(株) 研究開発本部 主幹研究員
奥村次徳   首都大学東京東京 大学院理工学研究科 電気電子工学専攻 教授

執筆者一覧
本城和彦   (現)電気通信大学 情報理工学研究科 情報・通信工学専攻 教授
乙木洋平   日立電線(株) 高機能材料事業本部 シニアエキスパート
        (現)Hitachi Cable America Marketing and Business Development Director
大谷 昇   (現)関西学院大学 SiC材料・プロセス研究開発センター センター長 教授
柴田智彦   日本ガイシ(株) 研究開発本部 主任
田中光浩   日本ガイシ(株) 研究開発本部 マネージャー
川村史朗   (現)(独)物質・材料研究機構 超高圧グループ 主任研究員
森 勇介   (現)大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 教授
佐々誠彦   (現)大阪工業大学 工学部 電気電子システム工学科 教授
井上正崇   (現)大阪工業大学 学長
天野 浩   (現)名古屋大学 大学院工学研究科 電子情報システム専攻 教授
東脇正高   (独)情報通信研究機構 新世代ネットワーク研究センター 光波量子・ミリ波ICTグループ 主任研究員
江川孝志   (現)名古屋工業大学 極微デバイス機能システム研究センター 教授・センター長
吉見 信   (現)Soitec Asia(株) 副社長兼技師長
葛原正明   (現)福井大学 大学院工学研究科 教授
遠藤 聡   (株)富士通研究所 三村フェロー室
内富直隆   (現)長岡技術科学大学 工学部 電気系 准教授
吉川俊英   (株)富士通研究所 先端デバイス研究部 主任研究員
吉田清輝   古河電気工業(株) 横浜研究所 GaNプロジェクトチーム チーム長
牧本俊樹   (現)日本電信電話(株) NTT物性科学基礎研究所 機能物質科学研究部 部長
田中 毅   (現)パナソニック(株) セミコンダクター社 半導体デバイス研究センター 所長
塩島謙次   (現)福井大学 大学院工学研究科 准教授
橋詰 保   北海道大学 量子集積エレクトロニクス研究センター 教授
小椋厚志   (現)明治大学 理工学部 教授
大橋弘通   (現)(独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 招聘研究員
福田憲司   (現)(独)産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター 主幹研究員
四戸 孝   (現)(株)東芝 研究開発センター 電子デバイスラボラトリー 研究主幹
平川一彦   東京大学 生産技術研究所 教授

執筆者の所属表記は,注記以外は2006年当時のものを使用しております。

目次

展望 高周波のゆくえ,デバイスの位置づけ
1. はじめに
2. 高周波半導体材料の変遷
3. デバイスおよび回路設計技術の展望
4. おわりに

【第I編 化合物半導体基板技術】
第1章 GaAs基板(乙木洋平)
1. 高周波デバイス用GaAs基板の特徴
2. 単結晶の成長法
2.1 LEC法
2.2 VB,VGF法
3. 半絶縁機構と熱処理法
3.1 半絶縁性機構
3.2 結晶の熱処理
4. 結晶の加工
5. 基板ウエハのアプリケーションと求められる特性
5.1 エピタキシャル用基板
5.1.1 表面状態
5.1.2 基板のoff角
5.2 イオン打ち込み用基板
5.2.1 表面状態
5.2.2 炭素濃度の制御

第2章 SiC基板
1. はじめに
2. SiC単結晶のバルク成長(改良レーリー法)
3. SiCバルク単結晶の基板化加工
4. SiCバルク単結晶のポリタイプ制御
5. SiCバルク単結晶の電気特性制御
6. SiCバルク単結晶中の転位欠陥
7. おわりに

第3章 新材料系基板
1. AlN系基板
1.1 はじめに
1.2 AlNエピタキシャル膜付基板
1.2.1 緒言
1.2.2 AlNエピタキシャル膜の品質
1.2.3 AlNエピタキシャル膜の基板としての応用―GaN下地層として―
1.2.4 AlNエピタキシャル膜の基板としての応用―AlGaN下地層として―
1.3 AlN自立基板
1.3.1 緒言
1.3.2 昇華法
1.3.3 HVPE法
1.3.4 その他

2. GaN系基板
2.1 はじめに
2.2 単結晶基板
2.3 GaN単結晶基板
2.3.1 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法
2.3.2 高圧合成(High Pressure Solution Growth)法
2.3.3 Naフラックス(Na flux)法
2.3.4 アモノサーマル(Ammonothermal)法
2.4 おわりに

【第II編 結晶成長技術】
第1章 III-V族化合物成長技術
1. MOVPE法
1.1 MOVPE法の概要
1.1.1 基本機構
1.1.2 MOVPEにおける結晶成長の機構と特徴
1.2 量産装置とその性能
1.2.1 実用化している量産システム
1.2.2 量産されているHEMT,HBTの構造
1.2.3 MBEかMOVPEか?
1.3 MOVPE法を用いた新しい材料技術の展開
1.3.1 従来型HEMTの高性能化
1.3.2 InGaP系
1.3.3 メタモルフィック系
1.3.4 進化する薄膜構造
1.4 おわりに

2. InAs系へテロ接合デバイスとMBE成長技術
2.1 はじめに
2.2 InAs/AlGaSb系へテロ構造のMBE成長技術
2.2.1 界面ボンドの制御と電気的および光学的特性の評価
2.2.2 InAs/AlGaSb系材料の電子濃度制御
2.3 InAs系高速デバイスへの応用
2.4 InAs系メゾスコピックデバイスへの応用
2.4.1 InAs細線構造の作製と評価
2.4.2 InAs/AlGaSbオープンドット構造の作製と評価

第2章 III-N化合物成長技術
1. III族窒化物半導体のMOVPE技術
1.1 はじめに
1.2 GaN
1.3 AlGaNおよびGaInN
1.4 GaN上のAlGaN,GaInN,AlInNヘテロ接合構造
1.5 伝導度制御
1.6 MOVPE法での低転位化
1.7 おわりに

2. MBE技術
2.1 はじめに
2.2 RF‐MBE装置の原理
2.3 MBEとMOCVDの比較
2.4 サファイア基板上のAlGaN/GaN HFET構造の成長
2.5 SiC基板上のAlGaN/GaN HFET構造の成長
2.6 高Al組成AlGaN/GaN HFET
2.7 InN
2.8 今後の展望

3. 各種基板上GaN on sapphire/SiC/Si
3.1 はじめに
3.2 GaN層へテロエピタキシャル成長
3.3 Si基板上InGaN LED構造
3.4 Si基板上AlGaN/GaN HEMT構造

第3章 Smart Cut?によるウェーハ貼り合わせ技術
1. はじめに
2. Smart Cut(TM)技術によるウェーハ貼り合わせ技術の基本プロセス
3. Smart Cut(TM)技術のSiおよび化合物半導体への応用
3.1 SOI基板
3.2 歪SOI(strained SOI (sSOI))基板
3.3 HOT(hybrid-orientation technology)基板
3.4 SOQ(Silicon-on-quartz)基板
3.5 GeOI(Ge-on-insulator)基板
3.6 SopSiC(Si-on-poly SiC)基板
3.7 SiCOI(SiC-on-insulator)基板
3.8 GaNOI(GaN-on-insulator)基板
4. おわりに

【第III編 デバイス技術】
第1章 III-V族系デバイス
1. GaAs-HEMT
1.1 はじめに
1.2 HEMTの動作原理
1.3 シングルへテロ構造とダブルへテロ構造
1.4 HEMTの作製プロセス
1.5 HEMTの特性
1.5.1 移動体通信端末用HEMTの特性
1.5.2 移動体通信基地局用へテロ接合FETの特性
1.6 今後の展望とまとめ

2. InP系HEMT
2.1 InP系HEMTの特徴
2.2 InP系極微細HEMTの構造とその作製方法
2.3 ゲート長の微細化と短チャネル効果・スケーリング
2.4 衝突イオン化
2.5 遮断周波数fTに関する高速化の現状
2.6 最大発振周波数fmaxに関する高速化の現状
2.7 その他のInP系HEMTの研究動向
2.8 今後の展望

3. 化合物HBT
3.1 はじめに
3.2 HBTの基本構造と動作原理
3.3 HBTの高周波特性
3.4 HBTを構成するIII-V族化合物半導体材料
3.5 HBT構造の結晶成長とプロセス技術
3.6 HBTの応用
3.7 おわりに

第2章 III族窒化物系デバイス
1. HEMT超高周波
1.1 ミリ波帯GaNトランジスタの期待される応用分野とデバイス特性
1.2 高周波化の課題(ショートチャネル効果)
1.3 ショートチャネル効果に対する取り組み
1.4 短ゲートAlGaN/GaN HFET
1.5 GaN HFET高周波化の限界
1.6 高周波GaN HFETの今後の展望

2. HEMT高周波ハイパワー
2.1 序
2.2 高周波ハイパワー用途でのGaNの長所
2.3 高周波ハイパワー市場動向
2.3.1 低消費電力(高電力効率)
2.3.2 歪補償技術適応性
2.3.3 低コスト
2.4 高周波ハイパワー特性動向
2.5 高周波ハイパワー向け開発課題
2.6 高周波ハイパワー向けチップ開発技術
2.7 無線通信基地局向けGaN-HEMT送信増幅器
2.8 ハイパワー向け低コスト化技術
2.9 ハイパワー向け信頼度及び量産性
2.10 ハイパワー向け絶縁ゲート技術
2.11 まとめ

3. 電力変換デバイス用GaNパワーデバイス
3.1 はじめに
3.2 ノーマリオン型AlGaN/GaNパワーHFET
3.3 AlGaN/GaN HFETを用いた電力変換装置応用例(インバータ,DC‐DCコンバータ)
3.4 AlGaN/GaN HFETのノーマリオフ化
3.5 GaNを用いた低損失ダイオード
3.6 おわりに

4. HBTデバイス
4.1 窒化物半導体HBTの特徴
4.2 窒化物半導体縦方向電子デバイスの耐圧
4.3 npn型窒化物半導体HBTの静特性
4.4 pnp型窒化物半導体HBTの静特性
4.5 窒化物半導体HBTの電流密度
4.6 窒化物半導体縦型電子デバイスの高温特性
4.7 窒化物半導体HBTの高周波特性
4.8 おわりに

5. III族窒化物系デバイスのプロセス技術
5.1 はじめに
5.2 選択熱酸化素子分離プロセス
5.3 低リーク電流ショットキー接合
5.4 AlGaN/GaN HFETのオーミック抵抗低減技術
5.5 おわりに

6. HEMTプロセス技術
6.1 はじめに
6.2 ゲート電極金属の選択
6.3 微小電極を用いた転位と電気的特性との相関
6.4 AlGaN/GaN2DEG構造の熱的安定性
6.5 HEMTの真性特性と電子速度

7. 窒化物半導体電子デバイスの安定性・信頼性
7.1 はじめに
7.2 ショットキー接合のリーク電流
7.2.1 リーク電流のふるまい
7.2.2 リーク電流の機構
7.3 ドレイン電流変動
7.3.1 電流コラプス
7.3.2 電流変動と深い準位・表面準位
7.4 デバイス安定化のためのプロセス・構造
7.4.1 リーク電流抑制のためのプロセス
7.4.2 表面パッシベーションとフィールドプレート構造
7.4.3 絶縁ゲート構造
7.5 今後に向けて

第3章 シリコン系デバイス
1. SOI/歪Siデバイス技術の現状
1.1 SOIデバイス
1.2 歪Siデバイス
1.2.1 ローカル歪
1.2.2 グローバル歪
1.3 歪SOIデバイス
1.3.1 ローカル歪
1.3.2 グローバル歪

2. SiC高耐圧
2.1 はじめに
2.2 なぜSiCか
2.3 プロセス技術
2.3.1 不純物ドーピング技術
2.3.2 電極形成技術
2.3.3 MOS界面制御技術
2.4 SiCパワーデバイス
2.4.1 ダイオード
2.4.2 スイッチングデバイス
2.5 まとめ

第4章 テラヘルツ波半導体デバイス
1. テラヘルツ電磁波技術とその応用
2. 時間領域テラヘルツ電磁波分光技術
3. テラヘルツ発生デバイス
3.1 共鳴トンネルダイオード
3.2 半導体超格子とブロッホ利得
3.2.1 超格子中の電子状態―ブロッホ振動―
3.2.2 ブロッホ振動する電子による分散的なテラヘルツ利得
4. 量子井戸中のサブバンド間遷移とその応用
4.1 量子井戸中のサブバンド間遷移
4.2 量子井戸赤外光検出器
4.3 量子カスケードレーザ
4.3.1 サブバンド間発光
4.3.2 量子カスケード構造
4.3.3 量子カスケードレーザの長波長化
5. 超高感度テラヘルツ電磁波検出
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