展望　高周波利用のゆくえ,デバイスの位置づけ 本城和彦
1 はじめに 1
2 高周波半導体材料の変遷 1
3 デバイスおよび回路設計技術の展望 6
4 おわりに 10
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 13
2 単結晶の成長法 13
2.1 LEC法 13
2.2 VB,VGF法 14
3 半絶縁機構と熱処理法 16
3.1 半絶縁性機構 16
3.2 結晶の熱処理 17
4 結晶の加工 18
5 基板ウエハのアプリケーションと求められる特性 20
5.1 エピタキシャル用基板 20
5.1.1 表面状態 20
5.1.2 基板のoff角 20
5.2 イオン打ち込み用基板 20
5.2.1 表面状態 21
5.2.2 炭素濃度の制御 21
第2章 SiC基板 大谷昇
1 はじめに 23
2 SiC単結晶のバルク成長(改良レーリー法) 24
3 SiCバルク単結晶の基板化加工 25
4 SiCバルク単結晶のポリタイプ制御 26
5 SiCバルク単結晶の電気特性制御 28
6 SiCバルク単結晶中の転位欠陥 29
7 おわりに 31
第3章 新材料系基板
1 AIN系基板 柴田智彦 田中光浩 33
1.1 はじめに 33
1.2 AINエピタキシャル膜付基板 34
1.2.1 緒言 34
1.2.2 AINエピタキシャル膜の品質 34
1.2.3 AINエピタキシャル膜の基板としての応用—GaN下地層として— 36
1.2.4 AINエピタキシャル膜の基板としての応用—AlGaN下地層として— 38
1.3 AIN自立基板 39
1.3.1 緒言 39
1.3.2 昇華法 40
1.3.3 HVPE法 41
1.3.4 その他 42
2 GaN系基板 川村史朗 森勇介 44
2.1 はじめに 44
2.2 単結晶基板 45
2.3 GaN単結晶基板 45
2.3.1 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法 45
2.3.2 高圧合成(High Pressure Solution Growth)法 47
2.3.3 Naフラックス(Na flux)法 49
2.3.4 アモノサーマル(Ammonothermal)法 50
2.4 おわりに 51
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 乙木洋平 55
1.1 MOVPE法の概要 55
1.1.1 基本機構 55
1.1.2 MOVPEにおける結晶成長の機構と特徴 56
1.2 量産装置とその性能 56
1.2.1 実用化している量産システム 56
1.2.2 量産されているHEMT,HBTの構造 59
1.2.3 MBEかMOVPEか? 60
1.3 MOVPE法を用いた新しい材料技術の展開 61
1.3.1 従来型HEMTの高性能化 61
1.3.2 InGaP系 62
1.3.3 メタモルフィック系 62
1.3.4 進化する薄膜構造 64
1.4 おわりに 66
2 InAs系ヘテロ接合デバイスとMBE成長技術 佐々誠彦 井上正崇 68
2.1 はじめに 68
2.2 InAs/AlGaSb系ヘテロ構造のMBE成長技術 68
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 69
2.2.2 InAs/AlGaSb系材料の電子濃度制御 71
2.3 InAs系高速デバイスへの応用 73
2.4 InAs系メゾスコピックデバイスへの応用 74
2.4.1 InAs細線構造の作製と評価 74
2.4.2 InAs/AlGaSbオープンドット構造の作製と評価 75
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 天野浩 80
1.1 はじめに 80
1.2 GaN 81
1.3 AlGaNおよびGaInN 83
1.4 GaN上のAlGaN,GaInN,AlInNヘテロ接合構造 84
1.5 伝導度制御 85
1.6 MOVPE法での低転位化 85
1.7 おわりに 86
2 MBE技術 東脇正高 88
2.1 はじめに 88
2.2 RF-MBE装置の原理 88
2.3 MBEとMOCVDの比較 90
2.4 サファイア基板上のAlGaN/GaN HFET構造の成長 91
2.5 SiC基板上のAlGaN/GaN HFET構造の成長 93
2.6 高Al組成AlGaN/GaN HFET 95
2.7 InN 96
2.8 今後の展望 96
3 各種基板上GaN on sapphire/SiC/Si 江川孝志 99
3.1 はじめに 99
3.2 GaN層ヘテロエピタキシャル成長 100
3.3 Si基板上InGaN LED構造 101
3.4 Si基板上AlGaN/GaN HEMT構造 104
第3章 Smart CutTMによるウェーハ貼り合わせ技術 吉見信
1 はじめに 108
2 Smart CutTM技術によるウェーハ貼り合わせ技術の基本プロセス 108
3 Smart CutTM技術のSiおよび化合物半導体への応用 111
3.1 SOI基板 111
3.2 歪SOI(strained SOI (sSOI))基板 112
3.3 HOT (hybrid-orientation technology)基板 113
3.4 SOQ (Silicon-on-quartz)基板 113
3.5 GeOI (Ge-on-insulator)基板 113
3.6 SopSiC (Si-on-poly SiC)基板 114
3.7 SiCOI (SiC-on-insulator)基板 114
3.8 GaNOI (GaN-on-insulator)基板 115
4 おわりに 115
第III編 デバイス技術
第1章 III-V族系デバイス
1 GaAs-HEMT 葛原正明 119
1.1 はじめに 119
1.2 HEMTの動作原理 120
1.3 シングルヘテロ構造とダブルヘテロ構造 123
1.4 HEMTの作製プロセス 123
1.5 HEMTの特性 124
1.5.1 移動体通信端末用HEMTの特性 124
1.5.2 移動体通信基地局用ヘテロ接合FETの特性 127
1.6 今後の展望とまとめ 128
2 InP系HEMT 遠藤聡 130
2.1 InP系HEMTの特徴 130
2.2 InP系極微細HEMTの構造とその作製方法 130
2.3 ゲート長の微細化と短チャネル効果・スケーリング 131
2.4 衝突イオン化 132
2.5 遮断周波数fTに関する高速化の現状 133
2.6 最大発振周波数fmaxに関する高速化の現状 134
2.7 その他のInP系HEMTの研究動向 137
2.8 今後の展望 137
3 化合物HBT 内富直隆 140
3.1 はじめに 140
3.2 HBTの基本構造と動作原理 141
3.3 HBTの高周波特性 143
3.4 HBTを構成するIII-V族化合物半導体材料 145
3.5 HBT構造の結晶成長とプロセス技術 149
3.6 HBTの応用 150
3.7 おわりに 151
第2章 III族窒化物系デバイス
1 HEMT超高周波 東脇正高 154
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 154
1.2 高周波化の課題(ショートチャネル効果) 155
1.3 ショートチャネル効果に対する取り組み 157
1.4 短ゲートAlGaN/GaN HFET 159
1.5 GaN HFET高周波化の限界 163
1.6 高周波GaN HFETの今後の展望 163
2 HEMT高周波ハイパワー 吉川俊英 165
2.1 序 165
2.2 高周波ハイパワー用途でのGaNの長所 165
2.3 高周波ハイパワー市場動向 167
2.3.1 低消費電力(高電力効率) 168
2.3.2 歪補償技術適応性 169
2.3.3 低コスト 169
2.4 高周波ハイパワー特性動向 169
2.5 高周波ハイパワー向け開発課題 170
2.6 高周波ハイパワー向けチップ開発技術 171
2.7 無線通信基地局向けGaN-HEMT送信増幅器 171
2.8 ハイパワー向け低コスト化技術 174
2.9 ハイパワー向け信頼度及び量産性 175
2.10 ハイパワー向け絶縁ゲート技術 177
2.11 まとめ 178
3 電力変換デバイス用GaNパワーデバイス 吉田清輝 182
3.1 はじめに 182
3.2 ノーマリオン型AlGaN/GaNパワーHFET 184
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) 186
3.4 AlGaN/GaN HFETのノーマリオフ化 188
3.5 GaNを用いた低損失ダイオード 189
3.6 おわりに 190
4 HBTデバイス 牧本俊樹 192
4.1 窒化物半導体HBTの特徴 192
4.2 窒化物半導体縦方向電子デバイスの耐圧 192
4.3 npn型窒化物半導体HBTの静特性 194
4.4 pnp型窒化物半導体HBTの静特性 195
4.5 窒化物半導体HBTの電流密度 196
4.6 窒化物半導体縦型電子デバイスの高温特性 197
4.7 窒化物半導体HBTの高周波特性 197
4.8 おわりに 198
5 III族窒化物系デバイスのプロセス技術 田中毅 201
5.1 はじめに 201
5.2 選択熱酸化素子分離プロセス 201
5.3 低リーク電流ショットキー接合 203
5.4 AlGaN/GaN HFETのオーミック抵抗低減技術 204
5.5 おわりに 207
6 HEMTプロセス評価 塩島謙次 210
6.1 はじめに 210
6.2 ゲート電極金属の選択 210
6.3 微小電極を用いた転位と電気的特性との相関 210
6.4 AlGaN/GaN 2 DEG構造の熱的安定性 212
6.5 HEMTの真性特性と電子速度 215
7 窒化物半導体電子デバイスの安定性・信頼性 橋詰保 219
7.1 はじめに 219
7.2 ショットキー接合のリーク電流 219
7.2.1 リーク電流のふるまい 219
7.2.2 リーク電流の機構 221
7.3 ドレイン電流変動 222
7.3.1 電流コラプス 222
7.3.2 電流変動と深い準位・表面準位 223
7.4 デバイス安定化のためのプロセス・構造 224
7.4.1 リーク電流抑制のためのプロセス 224
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 225
7.4.3 絶縁ゲート構造 226
7.5 今後に向けて 227
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 小椋厚志 230
1.1 SOIデバイス 230
1.2 歪Siデバイス 233
1.2.1 ローカル歪 233
1.2.2 グローバル歪 234
1.3 歪SOIデバイス 234
1.3.1 ローカル歪 234
1.3.2 グローバル歪 235
2 SiC高耐圧 大橋弘通 福田憲司 四戸孝 238
2.1 はじめに 238
2.2 なぜSiCか 238
2.3 プロセス技術 239
2.3.1 不純物ドーピング技術 239
2.3.2 電極形成技術 240
2.3.3 MOS界面制御技術 240
2.4 SiCパワーデバイス 242
2.4.1 ダイオード 242
2.4.2 スイッチングデバイス 244
2.5 まとめ 248
第4章 テラヘルツ波半導体デバイス 平川一彦
1 テラヘルツ電磁波技術とその応用 250
2 時間領域テラヘルツ電磁波分光技術 251
3 テラヘルツ発生デバイス 253
3.1 共鳴トンネルダイオード 253
3.2 半導体超格子とブロッホ利得 254
3.2.1 超格子中の電子状態—ブロッホ振動— 254
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 256
4 量子井戸中のサブバンド間遷移とその応用 258
4.1 量子井戸中のサブバンド間遷移 258
4.2 量子井戸赤外光検出器 259
4.3 量子カスケードレーザ 261
4.3.1 サブバンド間発光 261
4.3.2 量子カスケード構造 261
4.3.3 量子カスケードレーザの長波長化 262
5 超高感度テラヘルツ電磁波検出 263