III-V族半導体とは何ですか?

III-V族半導体は、第3族のホウ素(B)、アルミニウム(AI)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)と第5族の窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)の元素を組み合わせて作られる化合物です。半導体において、電子が移動する方法には直接遷移と間接遷移があり、III-V族半導体はその直接遷移構造から半導体材料として脚光を浴びています。半導体材料の中でもよく利用されるシリコンは、間接遷移をします。これは本質的に、励起された電子が価電子帯の基底状態に到達するために移動しなければならない経路が複数あることを意味します。このプロセスは時間がかかるため、シリコンはLEDやレーザーのような光を発するデバイスには不向きです。直接遷移であるGaN、GaAs、InPなどのIII-V族半導体の場合、放射再結合の経路を1つしか必要としないため、プロセスが非常に速く、光子を直接放出します。このため、III-V族半導体は光電子工学での用途に適しています。

 

最も一般的なIII-V族半導体は窒化ガリウム(GaN)、GaAs、InPです。以下は、これらの各材料の光電子工学アプリケーションの例になります。

窒化ガリウム（GaN） – 青色発光ダイオード

窒化ガリウム（GaN）のバンドギャップは3.4eVです。何十年もの間、短波長を発するデバイスの基盤となってきました。GaNは紫色発光ダイオードの基礎であり、アルミニウム(AI)やインジウム(In)などの他の元素の組み合わせにより、青緑色から赤色までの発光が可能です。窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)青色発光ダイオードの導入は、フルカラーディスプレイを実現するLED技術の突破口となりました。GaNはまた、パワーデバイスのシリコンよりも変換効率を高められるため、シリコンの置き換えとして重要な材料でもあります。

ヒ化ガリウム(GaAs) – 赤外線領域へ

III-V族半導体の中で、ヒ化ガリウム(GaAs)は最も高い電子移動度を持ち、RFデバイスのような高周波で動作する集積回路に最適な材料として挙げられています。光電子工学では、GaAsは1.42eV（～890nm）のバンドギャップを持つ赤外領域で動作するデバイスの基礎となっています。三元（3元素）化合物であるInGaAsとAlGaAsは、それぞれ赤外発光レーザーと赤外光検出器に使用されています。驚くことに、GaAsをベースにした化合物半導体は、サブバンド間遷移を介して光子を放出するように設計されており、波長8ミクロンまでの遠赤外での光子放出が可能です。

リン化インジウム(InP) – LEDとレーザーを超えて

リン化インジウム(InP)もまた、長波長領域で動作する小さなバンドギャップ（1.34eV）のIII-V族半導体です。GaNやGaAsとは異なり、一般的には発光デバイスには使用されず、むしろ入射波の増幅器や変調器として使用されます。多くの場合、InPはInGaAsPやInAlGaAsのような他の系を成長させることができるエピタキシャル基板であり、InGaAsP/InPやInAlGaAs/InPと表記されます。これらの4元系は、それぞれ1.3マイクロメートルと1.5マイクロメートルの光を変調するように設計されています。

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