生産と技術

第66巻第４号（2014）

大学で半導体をつくる
若小 泉

者

淳＊

Semiconductor fabrication at university
Key Words：semiconductor materials, crystal growth, defects

1．はじめに窒化ガリウム（GaN）系の半導体が使われている。

2012 年 1 月より、大阪大学大学院工学研究科附

これらは集積回路よりも頻繁に目しているはずなの

属高度人材育成センター（マテリアル生産科学専攻で、ひょっとしたら半導体であることが認識されて兼任）の助教に着任し、半導体材料の結晶成長と、いないのかもしれない。その他にも、携帯電話の電その光学的・電気的特性の研究・教育に携わってい力増幅器には InGaP と GaAs を組み合わせた半導体る。このたび、「生産と技術」に執筆する機会を頂材料が用いられている。

いたので、大学でつくる半導体について、マテリア身の回りではないところ、例えば、いつの間にかル科学の視点から、筆者の研究も交え、話を脱線さ社会基盤として普及している光ファイバ通信網で使せつつ述べる。

われる光源には、InGaAsP/InP 系の半導体材料が使われ、モジュールの小型化、省エネ化が進んでい2．日常生活に浸透した半導体る。近年では、シリコンカーバイド（SiC）がエア一般的には、半導体の研究といえば、電気系の学コンや電車に搭載され始めている。筆者が Al ドー科・専攻で行われ、シリコン（Si）を使って電子回プ 4H-SiC の p 型伝導特性を研究［2］していた数年路を作っているというイメージが持たれていると思

前は、SiC の結晶成長をしながら、「いつかは電車う。確かに、半導体が使われる代表的な発明は電気にも使われるはず」と思っていたことが、今では現信号を増幅させるトランジスタ［1］であり、コン実のものとなりつつある。余談ではあるが、電車でピュータを動かしている CPU の中身には、半導体は、交流モーターを可変電圧可変周波数制御するたを代表する材料である Si が使われている。学部学

めに GTO サイリスタ素子や IGBT 素子などの Si パ

生や大学のオープンキャンパスで、「半導体に使わワーデバイスが用いられている。発車時や停車時にれる材料といえば何でしょうか？」という問いに対聞こえる励磁音に特徴があり、昔は耳障りな音であして、今のところ「シリコン」以外の答えは返ってった。近年は Si パワーデバイスの発達によりスイこない。ところがよく見回すと、日常生活のそこかッチング周波数を高くできるようになったため、耳しこに Si 以外の半導体も使われているのである。

障りな音はかなり軽減されている。Si に替わって例えば、一般家庭にも普及が始まった発光ダイオー

SiC を使うことで、省エネ化や低騒音化がさらに進ド（LED）照明やディスプレイのバックライトには、むことが期待される。SiC パワーデバイス搭載の電車は、東京地下鉄 01 系電車や小田急 8000 系電車の＊ Atsushi KOIZUMI

1976年12月生
名古屋大学 大学院工学研究科 材料機能工学専攻（2004年）
現在、大阪大学 大学院工学研究科附属高度人材育成センター 助教
博士（工学） 半導体工学、結晶工学TEL：06-6879-7548
FAX：06-6879-7536
E-mail：koizumi@mat.eng.osaka-u.ac.jp

一部の車両、さらに来年には山手線の新型通勤電車
E235 系に使われようとしている［3］。関西では、阪急 8000 系電車の一部、調べた限りでは梅田側に8001 と書かれている車両に搭載されている。発車音の違いは、「可変電圧可変周波数制御」や「阪急8001F」をキーワードに検索すれば聞き比べることもできるが、実際に乗って違いを比べてみてほしい。

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3．非日常にも広がる半導体

第66巻第４号（2014）

添加半導体の研究を行っている。例えば、GaN にさて、日常から離れた分野でも半導体が使われる。

Eu を添加すれば、赤色 LED が実現できる［5］。

筆者が学生時代に所属していた研究室では、理学部

GaN 系材料による光の三原色の実現可能性が示さと共同で半導体超格子構造を使ったスピン偏極電子れたこととなり、モノリシック型高精細フルカラー源の開発が行われていた［4］。スピン偏極電子源は、ディスプレイなどへの展開が期待される。現在は、

宇宙創成の謎に迫るリニアコライダー（線形加速器）

更なる高輝度化に向けて、Eu 発光機構の解明を、や、スピン電子顕微鏡による磁区構造観察に使われ特に電気的特性に着目して取り組んでいる。GaNる。当然のことながら、使われる半導体は、この用に添加した Eu イオンに関して、全体の 80％程度の途のために材料選択がなされ、構造設計が行われる

Eu イオンは、GaN 母体からのエネルギー伝達効率オーダーメードである。材料には III-V 族半導体をが低いことが明らかとなっている［6］。エネルギー使用していたので、試料作製には光デバイスと同じ伝達効率は、Eu イオンが形成する欠陥準位への電子・技術が使えたものの、作製条件は大きく異なり、条正孔の捕まり易さに関係しているため、欠陥準位に件出しが必要であった。企業ではそこまで小回りの捕獲される電子や正孔の評価は重要であり、光学的きく協力が得られにくいため、大学が役立てる分野評価よりも電気的評価が得意とするところである。

である。

希土類蛍光体と半導体材料の融合を目指した研究分身の回りの電子部品や社会基盤、素粒子研究まで、野でありながら、これまで電気的評価が行われていこれまで使われていない特性に目を向ければ、半導なかったことが不思議に感じるかもしれない。これ

体の応用範囲はまだまだ広がっている。その理由とは、欠陥や不純物を制御した試料を作製できるようして、（1）半導体となる元素の組み合わせは実は多になったことが大きい。今後は、Eu イオンの周りく、さまざまな物性を持った半導体材料を利用できに不純物を配置した構造を意図的に作製して電子とること、（2）原子層レベルで結晶成長を制御できる正孔の捕獲を促進し、エネルギー伝達効率の高いようになり、量子閉じ込め効果やバンドエンジニアEu イオンへ転換できるかどうかがひとつのブレーリングにより、物性そのものをある程度設計できるクスルーとなり、実用レベルの高輝度化に達するとようになったことが挙げられる。半導体を研究する信じている。

立場としては、優れた物性を持つ物質の組み合わせを掘り当てる目利きとなり、その優れた物性を最大5．おわりに限に利用する応用分野を開拓し、社会に還元したい

大学でつくる半導体は、オーダーメードであるがと考えている。しかしながら、優れた物性を持って故に、結晶成長からデバイスに至るまで、どの段階いたとしても、期待された性能が出ないなどの理由においても欠陥制御が関係してくる。誰も扱ったこで、実用化の日の目を見ない（または年月のかかる）とのない半導体材料を結晶成長でつくるとなると、こともある。半導体材料の作製プロセスが未熟なた原料を選び、その毒性を調べ、何より安全に気を遣めに結晶欠陥や不純物の制御、あるいは、表面・界って装置の設計や組み立てを行う、意外に泥臭い分面がうまくできないことが原因のひとつであり、半野である。

導体分野でマテリアルを科学する大学の研究が役に立つことを意味している。また、新しい半導体材料

謝辞

でも、基本的な動作原理が Si などと同じデバイス

本稿執筆の機会を与えていただきました大阪大学を作ることはできるので、動作するデバイスを作り、工学研究科の田中敏宏教授ならびに「生産と技術」

その半導体材料が使えることを実証するのも、大学の関係者の方々に感謝申し上げます。半導体の結晶が担っている重要な役割となってきている。

成長や評価、デバイス作製に関して、学生時代、ポスドク時代を経て、現在に至るまでに所属してきた、4．現在の研究〜希土類添加半導体〜

名古屋大学、京都大学、電気通信大学、マンチェス

筆者は、希土類蛍光体の優れた発光特性と半導体の電気を流せるという特性を組み合わせた、希土類ター大学、大阪大学の研究室の皆様、及び、共同研究者の皆様に感謝いたします。

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参考文献

いて」
、東日本旅客鉄道株式会社プレスリリース、[1] 半導体素子の歴史的な写真は、下記のスミソニ

2014 年 7 月 2 日（http://www.jreast.co.jp/press/

アン博物館の Web サイトによくまとめられている： The National Museum of American

2014/20140701.pdf）.
[4] N. Yamamoto et al, J. Appl. Phys. 102, 024904

History's Chip Collection, The Birth of Modern(2007).

Transistor[5] A. Nishikawa, T. Kawasaki, N. Furukawa, Y.

（http://smithsonianchips.si.edu /augarten /p2.

Terai, and Y. Fujiwara, Appl. Phys. Express 2,htm）.

071004 (2012).

Electronics,

The

Point-Contact[2] A. Koizumi, J. Suda, and T. Kimoto, J. Appl.

[6] R. Wakamatsu, D. Lee, A. Koizumi, V. Dierolf,

Phys. 106, 013716 (2009).

and Y. Fujiwara, J. Appl. Phys. 114, 043501[3]「新型通勤電車（E235 系）量産先行車新造につ(2013).

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