半導体としてのＧａＡｓ基板の特性

質問

GaAsは半導体として用いると、Siに比べて高速で動作をします。その理由は、アンドープ基板がSiに比べて非常に高い抵抗を示すためと書かれていました。

しかし、私には何故GaAs基板がSi基板より高い抵抗を示すのかわかりません。

Siは単結晶の共有結晶なのでイオン結晶（GaAs）より電気伝導度は小さいと思うのですが・・・

回答No.7

d9win

遅れすぎた回答になってしまいましたが...。
伝導度は、それと電界強度(E)の積が電流密度として定義されます。
　電流密度= 伝導度 x E
電流密度は、電荷担体密度(n)と移動度(μ)と電界強度(E)の積に電気素量(q)を掛け合わせた値です。
　電流密度 = q n v = q n μ E
したがって、
　伝導度 = q n μ
しかしながら、私のこれまで回答で"伝導性"と言ってたのは、正しくは"移動度(μ)"でした。混乱を招き、すいません。
「アンドープ基板が絶縁体に近くなる」のは、電荷担体密度(n)が非常に小さいためです。
電荷担体(自由電子 or 正孔)密度はバンドギャップで決まる(∝exp(-Eg/kT))と教科書にあります。
純粋なシリコン(すなわち、本来のアンドープ状態)は、数MΩcmの比抵抗です。りっぱな絶縁体です。
しかしながら、少しでも不純物が混ざると比抵抗は急速に低下します。
ところが、GaAsでは不純物が混ざった時の比抵抗の低下の仕方がSiよりも小さいようです。
このために、バンドギャップがSiよりも少し大きいだけのGaAsの「アンドープ基板が絶縁体に近くなる」のでないでしょうか。
私は、その機構は知りません。
ただ、半導体にn形なりp形をもたらす不純物原子を入れても、100%の不純物原子が自由電子なり正孔を発生させる訳ではありません。化合物半導体は、その率(活性度)がシリコン, ゲルマニウムに比べて小さい傾向があるようです。
また、anthraceneさんが説明されてるGaAsはイオン結合が混じっていることが何か寄与しているのかも知れません。

回答No.6

d9win

>GaAsの伝導性がSiより悪いことはGa(As?)半導体がSi半導体より高速で動作することと矛盾してくる気がするのですが・・・

#2回答の終わりに書いているように、GaAsの電導性はSiよりも遥かに良好です。その上に、GaAsは絶縁体に近いアンドープ基板を得ることが出来て、デバイス動作に伴う容量の充放電が少なくて済むので、一層の高速動作をすることが出来ます。

お礼

回答ありがとうございます。

ＧａＡｓはＳｉより伝導性が良好なのに、アンドープ基板が絶縁体に近くなることが納得いきません。

是非、教えてください。

回答No.5

anthracene

私は半導体物理には詳しくありませんので、デバイスの動作速度云々に関しては分かりかねます。ごめんなさい。

お礼

わざわざ丁寧にありがとうございました。

回答No.4

anthracene

高周期元素になると、純粋にイオン結合か共有結合かを言えなくなりますが、電気陰性度の差がひとつの指標になるでしょう。
ガリウムは１．８、砒素は２．２です。差は０．４しかありません。
つまり、両者の間の結合電子対は一方的に砒素側に奪われているわけではありません。
普通の金属塩では、この差は１以上はあるのが普通です。

もっとも、純粋に共有結合だけとはいえないでしょう。
高周期元素の化合物では、共有結合にいくらかイオン結合の寄与が混じります。

繰り返しますがイオン結晶ではないですし、伝導も電子由来のはずです。イオン伝導体ではないです。
ちゃんとバンド理論で説明されているはずです。

お礼

迅速な回答ありがとうごさいます。
納得できました。

これから、もっと勉強していきたいと思いますので
機会があれば、又よろしくお願いします。

回答No.3

anthracene

ヘテロの半導体のほうが、価電子の局在の傾向が高いため、伝導性が低下するのでしょう。
分子の場合でも同じです。
すべて炭素原子からなるベンゼン(C6H6)は、パイ電子が完全にデローカライズしますが、ホウ素と窒素からなる等電子体ボラジン(B3N3H6)では、パイ電子は窒素上に局在します。
ガリ砒素は、極端にイオンとして書くと、Ga^3+As^3-となり、砒素上に電子が局在します。結果として、結晶全体への価電子の偏在が弱まるのでしょう。
もっとも、実際にはこれはイオン結合ではなく、ちゃんと共有結合があるはずです。共有結合とイオン結合の中間のような状態にあると考えられます。

お礼

回答ありがとうございます。非常に参考になりました。

上記の説明により、アンドープ基板のGaAsの伝導性がSiより悪いことは納得できました。

しかし、GaAsの伝導性がSiより悪いことはGa半導体がSi半導体より高速で動作することと矛盾してくる気がするのですが・・・

ぜひ、回答をお願いします。

回答No.2

d9win

私にも判りませんが、回答が少ないので参考意見を書かせてもらいます。
高速動作のために非常に高い抵抗(比抵抗)の半導体基板が要求されるのは、デバイス内の容量を減らすためです。(他に、デバイス内のキャリアの動作速度も高速性には寄与します。こちらは、移動度が評価因子になります)
比抵抗はキャリア密度と移動度の積に反比例します。n形とかp形不純物を入れてない(アンドープ)半導体では、#1回答のように、バンドギャップ(Eg)が大きいほどキャリアの数が少なくなります。熱エネルギーによって正孔と自由電子の対発生が起こり難くなるためです。しかしながら、GaAs(Eg=1.4eV)はSi(1.1eV)に比べさほど大きくはありません。確かに、GaN(3.4eV)は良い絶縁基板となりますが、SiC(2.5eV)は高い比抵抗は得られません。結晶性の悪さが原因なら、SiCだけでなくGaNも良くないはずです。したがって、バンドギャップ以外の要因が大きな働きをしていると思います。Si, SiC, GaAs, GaN等の半導体の結合は、基本的に共有結合で、GaAsとGaNではイオン結合成分も有していると理解してます。自信はありませんが、イオン結合成分が強いアンドープ半導体が、絶縁性基板になりそうな気がします。
伝導度については、GaAsの自由電子は9000cm2/Vsと際立って高いですが、正孔は400cm2/Vsでシリコン(1500と450)並です。GaNの自由電子もシリコン並です。SiCは自由電子が800で正孔が100程度です。したがって、質問者が言われるように、共有結合だからイオン結合よりも伝導度が小さいとは言えないでしょう。そもそも、伝導機構の傾向をざっくりと説明できる理論はないと思います。

お礼

回答ありがとうございました。
d9winさんの回答によるとバンドギャップよりもイオン結合性に原因があるということ、共有結合だからイオン結合よりも伝導度が小さいとは言えないことが参考になりました。

回答No.1

anthracene

固体物性は素人です。ご参考までに。
キッテルでバンドギャップを調べますと、シリコンは1.1 eVくらいですが、ガリ砒素は1.4 eVと大きくなっています。ですから、ガリ砒素の方が伝導電子が少ないので、伝導性が小さい（抵抗率が大きい）というのは正しいでしょう。
ただ、原因はなんですか？と言われると良く分かりません。
ガリ砒素は電子的には13族と15族の組み合わせなのでシリコンと等電子構造を持ちます。ここから先は推論です。ガリウムの電気陰性度が比較的大きいため、ヒ素から供与される電子がガリウムーヒ素の結合に局在化し、結晶全体への非局在化の効果が低下しているのかもしれません。その結果、HOMO-LUMOギャップの拡大につながったのでは？

なお、質問者さんはひとつ勘違いをしています。
シリコンもガリ砒素も、別にイオン伝導体ではありません。
どちらも共有結合でできた結晶です。
電気を伝えるのは、価電子帯から熱励起されて生じたキャリア（自由電子、ホール）です。半導体の常識だと思いますが？

お礼

回答ありがとうございました。
バンドギャップを調べるという方法は思いつかなかったので、
非常に参考になりました。

申し訳ないのですが、もう１つ質問させてください。

anthraceneさんの回答によるとGaAsが共有結晶ということですが、どのように判断すればいいのですか？

私はGaAsが非金属元素と金属元素で構成されているためにイオン結晶と判断してしまいました。