物理システム工学科3年次 「物性工学概論」 第6回半導体と光(3)

物理システム工学科3年次
物性工学概論
第火曜1限0023教室
第5回光る半導体
大学院ナノ未来科学研究拠点
量子機能工学分野
佐藤勝昭
復習コーナー
半導体の光学現象
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半導体とは何か
半導体にはどんな物質があるか
バンド構造とバンドギャップ
半導体の透過色、反射色
吸収スペクトル:バンド間遷移
シリコン結晶の金属光沢の原因は?
復習コーナー
半導体とは何か
• 半導体の抵抗率の範囲とバンドギャップ
• (佐藤・越田:応用電子物性工学 図4.2)
復習コーナー
半導体の電気抵抗の温度変化
• 金属と半導体の電気抵抗の温度変化の比較
復習コーナー
導電率、キャリア密度、移動度
• 導電率、キャリア密度n、移動度の間には
 = ne の関係式が成り立つ。
• 抵抗率と導電率の関係は =1/ である。
• 移動度とは、単位電界E[V/cm]によって得られる平均速
度v[cm/s]を表し、v=E である。
– 例:1mのシリコン膜の表裏の間に1Vの電圧を印加したとき、
E=104V/cm、シリコンの=1000cm2/Vsとしてv= E =107cm/sと
なる。
– このときの導電率はキャリア数1016cm-3として
 = ne =10161.6 10-19 103=1.6S/cm: =0.625cm
復習コーナー
周期表と半導体
IIB
IIIB
IV
V
VI
B
C
N
O
Al
Si
P
S
Zn
Ga
Ge
As
Se
Cd
In
Sn
Sb
Te
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
IV族(Si, Ge)
III-V族(GaAs, GaN, InP, InSb)
II-VI族(CdS, CdTe, ZnS, ZnSe)
I-VII族(CuCl, CuI)
I-III-VI2族(CuAlS2,CuInSe2)
II-IV-V2族(CdGeAs2, ZnSiP2))
復習コーナー
半導体の構造
• ダイヤモンド構造
• 閃亜鉛鉱(ジンクブレンド)構造
• 黄銅鉱(カルコパイライト)構造
復習コーナー
バンド構造による金属・半導体の区別
復習コーナー
エネルギー帯の考え方
• 自由電子からの近似
– Hartree-Fockの近似
– 電子を波数kの平面波として扱う
E=(k)2/2m 放物線バンド
• 孤立原子に束縛された電子からの近似
– Heitler-Londonの近似
– 原子の電子波動関数(s, p, dなど)の1次結合
– 電子間相互作用を考慮しやすい
復習コーナー
シリコンのバンドと
バンドギャップ
復習コーナー
半導体の光吸収スペクトル
直接吸収端
InSb, InP, GaAs
間接吸収端
Ge, Si, GaP
復習コーナー
バンドギャップと半導体の吸収端
・フォトン・エネルギーE=hがエネルギー・ギャップEgよ
り小さいとき、価電子帯の電子がE=hを得ても、伝導帯に
遷移できないので、光は吸収されず透過する。
フォトン・エネルギーがエネルギー・ギャップよりも大きい
と、価電子帯の電子が伝導帯に遷移することができるので、
光吸収が起きる。吸収が始まる端っこということで、エネル
ギー・ギャップを吸収端のエネルギー、それに相当する波長
を吸収端の波長という。吸収端の波長より長い波長の光は透
過する。
伝導帯
  1240 / h
h
h>Eg
価電子帯
Eg
復習コーナー
半導体のバンドギャップと透過光の色
ZnS
CdS
黄
Eg=2.6eV
GaP
橙
Eg=2.2eV
Eg=2eV
HgS
赤
Eg=1.5eV
GaAs
黒
800nm
300nm
4eV
白
透過域
Eg=3.5eV
3.5eV
3eV
2.5eV
2eV
1.5eV
復習コーナー
半導体のバンドギャップと絵の具の色
Color of some ban d- gap se mic on du c tors
Mineral
Pigment
Band
name
name
gap
Substance
C
Diamond
ZnO
Zincite
-
Color
5.4 Colorless
HgS
Zinc white
Cadmium
Greenockite
yellow
Cadmium
orange
Cinnabar
Vermillion
HgS
M etacinnabar -
1.6 Black
Si
-
1.1 Black
PbS
Galena
CdS
CdS1-xSex
Mixed crystals of yellow
cadmium sulfide CdS
and black cadmium
selenide CdSe, showing
the intermediate-bandgap colors
(eV)
-
http://webexhibits.org/causesofcolor/10.html
3 Colorless
2.6 Yellow
2.3 Orange
2 Red
0.4 Black
復習コーナー
第4回の問題
さまざまな半導体のバンドギャップ(室温)
半導体
Eg[eV] g[nm]
透過光の色
• Ge
0.67 1851
不透明
• Si
1.11 1117
不透明
• GaAs
1.42
873
不透明
• CdSe
1.74
712
赤
• GaP
2.26
549
橙
• CdS
2.42
512
黄
• ZnSe
2.67
463
淡黄
• GaN
3.39
366
無色透明
• ZnS
3.68
337
無色透明
半導体からの発光
• 基底状態から何らかの形で励起状態に遷
移が起きたとき、基底状態に戻るときに、熱
や光の形でエネルギーを放出する。光を放
出する減少をルミネセンスという。
•
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•
•
光で励起:フォトルミネセンス(PL)
電界で励起:エレクトロルミネセンス(EL)
キャリア注入で励起:発光ダイオード(LED)
電子線で励起:カソードルミネセンス(CL)
フォトルミネセンス(PL)(光で励起)
• 光子(h>Eg)入射
伝導帯
• 価電子帯から伝導帯
へ電子が遷移
• 伝導帯に電子、価電
子帯にホール生成
• 電子、ホールが移動
• 再結合してエネルギー
差を光子として放出
価電子帯
光を吸収
光を放出
バンド間直接遷移による発光
• 伝導帯電子と価電子帯
ホールの直接再結合
伝導帯
価電子帯
バンド・不純物準位間遷移
• 伝導帯電子と、アクセプターに束縛されたホールの再結
合 Free to Bound Transition (FB)
• ドナーに束縛された電子と価電子帯ホールの再結合
Bound to Free Transition (BF)
伝導帯
伝導帯
価電子帯
価電子帯
伝導帯→アクセプター
ドナー→価電子帯
ドナーアクセプター対遷移
• ドナーに捉えられた電子とアクセプターに捉えられたホールとの再
結合
伝導帯
光を放出
価電子帯
励起子発光
• 自由励起子(電子とホールがクーロン力で束縛された状態)
• 束縛励起子(電子とアクセプタホールが束縛された状態)
自由励起子とは
• 電子・ホールがクーロ
ン力で束縛された状態
伝導帯
Eg
2K 2
En  E g  2 
2M
n
M  me  mh
Eb
Eb 
n=2
-Eb/4
n=1
-Eb
e 4 mr
8h 2 2
 EH 2

1 mr
 r2 m0
mr  1 m *e1  m *h1

ホール
En
解離
電子が伝導帯に
電子
価電子帯
ホールは価電子帯に
GaAsにおける自由励起子
の束縛エネルギーの推定
• 自由励起子の束縛エネルギーは、EHを水素原
子における電子の束縛エネルギー(第1イオン化
エネルギー)として、次式で与えられる。
1 mr
Eb  E H 2
 r m0
• EH=13.6eV, r=11.1→1/r2=0.0081
• mr*/m0=1/(m0/me*+m0/mh*)=1/(1/0.066+1/0.5)=0.058
• Eb=13.6  0.0081  0.058=0.0063 eV=6.3 meV
ルミネセンスの種類と応用例
• 光で励起:フォトルミネセンス(PL)
– プラズマディスプレイ(PDP)
• 電界で励起:エレクトロルミネセンス(EL)
• キャリア注入で励起:発光ダイオード(LED)
• 電子線で励起:カソードルミネセンス(CL)
フォトルミネセンスの測定法
• 試料をクライオスタットに装着して冷却する。
• 励起用レーザ光をクライオスタットの窓から導入し試料を照射する。
• 試料からの発光をクライオスタットの窓を通して取り出し、レンズで
集光し、分光器に入射する。分光器の出力スリットに光電子増倍
管などの光センサをつけ分光された光を検出する。
• 分光器の波長を変化させ、信号強度を波長に対してプロットする。
クライオスタット
分光器
レーザー
試料
光電子増倍管
プラズマディスプレイ(PDP)
• 微小電極間で放電
→気体原子が励起
→紫外線を放出
→紫外線が蛍光体を励起
→可視光発光
• 予備放電→書き込み放電→維持
放電→消去放電
• カラーPDPの原理は蛍光灯とよく
似ており、極小の蛍光ランプが無
数に並んで1枚の画面を作ってい
る、そんなイメージです。
ハイビジョン用 (55V型)
富士通日立プラズマディスプレイ㈱のHPより
NECプラズマディスプレイ㈱のHPより
ルミネセンスの種類と応用例
• 光で励起:フォトルミネセンス(PL):PDP
• 電界で励起:エレクトロルミネセンス(EL)
– 無機EL
– 有機EL
• キャリア注入で励起:発光ダイオード(LED)
• 電子線で励起:カソードルミネセンス(CL)
無機エレクトロルミネセンス
• 電子が電界により絶縁体
/ZnS界面から放出される
• 電界で加速されホットエレ
クトロンとして移動
• ホットエレクトロンがMnな
ど発光中心に衝突
• 発光中心の電子系が励
起される
• 励起状態から光を放出し
て基底状態に戻る
TDKのHPより
ZnS:Mnの発光(結晶場遷移)
• ZnS:Mnの発光は、Mn2+イ
オンの3d5多電子系にお
ける励起状態4T1から基
底状態6A1へのd-d遷移に
よる。
• このような遷移を結晶場
遷移または配位子場遷移
とよぶ。
• 1電子系のバンド図では
説明できない
基底状態
励起状態
4T
2
4T
1
4A
1
http://sharp-world.com/
有機エレクトロルミネセンス
• 有機ELは、有機発光層を金属電極と透明電極ではさんだ
構造をとっている。
• 金属電極と透明電極との間に電圧を加えると、有機分子
上を電荷が対向電極に向かって移動する。この移動中に、
ホールと電子が出会うと、有機発光層の中で再結合し、こ
の時エネルギーを放出する。このエネルギーによって有機
発光層が発光する。 (有機LEDともいう)
光産業技術振興協会のHPより
三洋電機のHPより
ルミネセンスの種類と応用例
• 光で励起:フォトルミネセンス(PL):PDP
• 電界で励起:エレクトロルミネセンス(EL)
• キャリア注入で励起:注入型ELともいう
– 発光ダイオード(LED)
• 電子線で励起:カソードルミネセンス(CL)
発光ダイオード(LED)と半導体レーザ (LD)
三洋赤色LD
日亜 青色LED
三洋青色LD
日亜 電球色LED
日亜化学青紫LD
交通信号機が変わった
半導体pn接合
E
P形
N形
P形とN形を接合するとキャリア拡散が起きる
-
+
+
+
+
拡散電位差
+
拡散電位差
LEDの原理
•
•
•
•
pn接合を順バイアス
電子は、p層に注入
ホールはn層に注入
界面付近で再結合
p型
再結合
-
+
+
+
+
n型
空間電荷層
青色LEDの発光スペクトル
350nm
450nm
550nm
赤色LEDスペクトル
ルミネセンスの種類と応用例
•
•
•
•
光で励起:フォトルミネセンス(PL):PDP
電界で励起:エレクトロルミネセンス(EL)
キャリア注入で励起:注入型ELともいう
電子線で励起:カソードルミネセンス(CL)
– ブラウン管(CRT)
– 電界放出型ディスプレイ(FED)
CRTの構造
• 電子銃、偏向板(オシ
ロスコープ)または偏
向ヨーク(ブラウン管)、
シャドウマスク、蛍光
スクリーンから構成
される。
小林洋志「発光の物理」(朝倉書店)より
カラーCRTの原理
• 赤、緑、青の微小な領域に蛍光体が塗り分けられて
おり、各発光色に対応して、3本の電子銃が用いら
れ、別々に電子ビーム強度が制御される。
小林洋志「発光の物理」(朝倉書店)より
カラーCRTの蛍光体
• 赤:Y2O2S:Eu
• 緑:ZnS:Cu,Al
• 青:ZnS:Ag
緑
青
発光強度
赤
400
500
波長[nm]
600
700
小林洋志「発光の物理」(朝倉書店)より
FED(電界放出型ディスプレイ)
• 真空中において電極から
電子を電界放出
• 低速電子線が対抗電極
上の蛍光体を励起
• カーボンナノチューブを
電極に用いたFEDが有
望
光産業技術協会HP
pixtech社(2002.6破綻)
電界放出ディスプレイの原理
• 電界放出とは?
• 固体表面に強い電場がかかると、電子を
固体内に閉じこめている表面のポテンシャ
ル障壁が低くかつ薄くなり、トンネル効果に
より電子が真空中に放出される。この現象
を「電界放出(field emission)」と呼んでいる。
この現象を観測するには、非常に強い電
場を固体にかけなくてはならない。そのと
き、電圧をかける面積が小さくなればその
分だけ電場が集中するので、「電界放出型
電子源」の金属針の先端は、鋭くとがらせ
たものを用いるのが一般的だ。
•http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/nanotube/fed.htm
FEDの仕組み
http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/fed/
FEDの構造
• FEDの大まかな構造は、真空の空
間が二つのガラスシートによっては
さまれたものになっている。そのガ
ラスシートのうち、カソード(陰極)
からは電界放出によって電子が放
たれる。このときの電子はカソード
とゲート電極の間の電圧の差に
よって生じる。
真空中に放出された電子はア
ノード(陽極)の方に向かって進み、
途中で蛍光体に衝突して光を放つ。
こうして、RGBの三つの蛍光体一組
から発せられた可視光が、ディスプ
レイの1ピクセルに相当する。
6/8 ミニテストについて(予告)
•
•
•
•
指定に従って着席する
学生証を机の上に提示
参考書1冊持ち込み可
カンペA41枚持ち込み可:
– コピー・ワープロ不可
– 自筆に限る。記名して必ず提出。
• 電卓持ち込み可
• 式の誘導はDrude則のみ
• 基礎知識と物理的思考を問う問題を出題
来週の予定
光電変換:光を電気に変える
• 光伝導(photoconductivity)
• 光電子放出(photoelectron emission)
• 光起電力効果(photovoltaic effect)
– フォトダイオード、フォトトランジスタ
– 太陽電池
第5回の問題
• 励起のメカニズムによりルミネッセンスを分類し、
それぞれどのように応用されているかを述べよ。