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公開：2024-05-11

GaAsとは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

GaAsとは

GaAsはガリウム(Ga)とヒ素(As)から構成される化合物半導体の一種です。この半導体材料はシリコン(Si)と比較して高い電子移動度を持つことが特徴です。

GaAsはウェハの形態で製造され、電子デバイスの基板として広く利用されています。特に、高周波デバイスや光デバイスの分野で重要な役割を果たしています。

GaAsはダイレクトバンドギャップ型の半導体であり、バンドギャップエネルギーは約1.42eVです。この特性により、発光デバイスや太陽電池などへの応用が可能となります。

GaAsは電子線照射に対する耐性が高いことから、宇宙用の電子デバイスにも用いられています。また、放射線検出器としての応用も期待されています。

GaAsはシリコンと比べて製造コストが高いという課題があります。しかし、高性能なデバイスを実現できるため、コストに見合う付加価値を提供できる用途で利用が進んでいます。

GaAsの物性と特徴

GaAsの物性と特徴に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• GaAsの結晶構造と格子定数
• GaAsの電気的特性
• GaAsの光学的特性

GaAsの結晶構造と格子定数

GaAsはガリウムとヒ素が交互に配置された閃亜鉛鉱型の結晶構造を持っています。この構造はダイヤモンド構造の一種であり、安定性が高いのが特徴です。

GaAsの格子定数は約5.65Åであり、シリコンの格子定数(約5.43Å)よりも大きな値を示します。この差異が、GaAsとシリコンの物性の違いに影響を与えています。

GaAsは結晶成長技術の進歩により、高品質な単結晶基板の製造が可能となっています。この単結晶基板を用いることで、高性能な電子デバイスの実現が可能となります。

GaAsの電気的特性

GaAsはシリコンと比較して高い電子移動度を持っています。室温における電子移動度は約8500cm²/Vs程度であり、シリコンの約6倍の値を示します。

GaAsは高い電子移動度を活かして、高周波デバイスや高速デバイスに用いられています。特に、携帯電話の高周波回路や衛星通信用のデバイスなどに利用されています。

GaAsはドーピングにより、n型およびp型の半導体を作製できます。ドーピング技術の進歩により、高性能なデバイスの実現が可能となっています。

GaAsの光学的特性

GaAsはダイレクトバンドギャップ型の半導体であり、バンドギャップエネルギーは約1.42eVです。この特性により、発光デバイスや受光デバイスへの応用が可能となります。

GaAsは発光ダイオード(LED)や半導体レーザーの材料として用いられています。特に、赤外線領域の発光デバイスに適しており、光通信や光センサーなどに利用されています。

GaAsは太陽電池の材料としても注目されています。バンドギャップエネルギーが太陽光スペクトルに適しており、高い変換効率が期待できます。また、薄膜化により、軽量で柔軟性のある太陽電池の実現が可能となります。

GaAsの製造方法

GaAsの製造方法に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• GaAs単結晶の成長方法
• GaAsウェハの製造工程
• GaAsデバイスの作製方法

GaAs単結晶の成長方法

GaAs単結晶の成長には主に液封引き上げ法(LEC法)が用いられています。この方法ではるつぼ内でGaとAsを溶融し、種結晶を用いて単結晶を引き上げます。

LEC法では温度勾配や引き上げ速度などの条件を最適化することで、高品質な単結晶を得ることができます。また、ドーピング材料を添加することで、n型やp型の単結晶を作製できます。

GaAs単結晶の成長には高度な技術と設備が必要とされます。単結晶の品質はデバイスの性能に直結するため、結晶成長技術の向上が重要な課題となっています。

GaAsウェハの製造工程

GaAsウェハは単結晶インゴットから切り出して製造されます。まず、単結晶インゴットを所定の方位に沿って切断し、ウェハ状に加工します。

切断したウェハはラッピングやポリッシングなどの工程を経て、表面を平坦化します。また、エピタキシャル成長法を用いて、ウェハ上に高品質な薄膜を形成することもあります。

GaAsウェハの製造には高度なプロセス技術が必要とされます。ウェハの品質はデバイスの歩留まりや信頼性に大きな影響を与えるため、製造工程の最適化が重要な課題となっています。

GaAsデバイスの作製方法

GaAsデバイスはウェハ上に電極や配線などを形成することで作製されます。デバイスの種類に応じて、フォトリソグラフィーやエッチング、薄膜形成などの工程が用いられます。

GaAsデバイスの作製には微細加工技術が重要な役割を果たします。電子ビームリソグラフィーやステッパーなどの技術を用いて、微細なパターンを形成することができます。

GaAsデバイスの性能は設計や製造プロセスに大きく依存します。シミュレーションや評価技術を活用して、最適な設計と製造条件を見出すことが重要な課題となっています。

GaAsの応用分野

GaAsの応用分野に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• GaAsを用いた高周波デバイス
• GaAsを用いた光デバイス
• GaAsを用いたその他のデバイス

GaAsを用いた高周波デバイス

GaAsは高い電子移動度を持つため、高周波デバイスに適した材料となっています。携帯電話や無線LANなどの高周波回路に、GaAs系のトランジスタが広く用いられています。

GaAsを用いた高周波デバイスには高電子移動度トランジスタ(HEMT)や擬似морフィックHEMT(pHEMT)などがあります。これらのデバイスは低ノイズ性や高利得性に優れ、高周波回路の小型化や高性能化に貢献しています。

GaAsを用いた高周波デバイスは今後も通信技術の進歩に伴って、更なる高性能化が求められています。新しい材料やデバイス構造の開発により、更なる高周波特性の向上が期待されています。

GaAsを用いた光デバイス

GaAsは発光デバイスや受光デバイスの材料として広く用いられています。発光ダイオード(LED)や半導体レーザーなどの光デバイスに、GaAsが用いられています。

GaAsを用いた光デバイスは光通信や光ディスクなどの分野で重要な役割を果たしています。また、光センサーや太陽電池などへの応用も期待されています。

GaAsを用いた光デバイスは今後も光技術の進歩に伴って、更なる高性能化が求められています。量子ドットなどの新しい材料やデバイス構造の開発により、更なる高効率化や高機能化が期待されています。

GaAsを用いたその他のデバイス

GaAsは高周波デバイスや光デバイス以外にも、様々な分野で応用されています。電子線照射に対する耐性が高いことから、宇宙用の電子デバイスに用いられています。

GaAsは放射線検出器としての応用も期待されています。高いエネルギー分解能を持つため、X線やガンマ線の検出に適しています。

GaAsを用いたデバイスは今後も新しい応用分野が開拓されていくと期待されています。材料特性を活かした新しいデバイスの開発により、更なる用途拡大が期待されています。

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