真性半導体
半導体材料の中でも、外部からドーパントを添加していない純粋な状態を指すのが真性半導体である。半導体とは絶縁体と導体の中間的な電気的特性を示す材料の総称であり、シリコンやゲルマニウムなどが代表例として挙げられる。真性半導体は電子と正孔の数が等しく、温度上昇によって少数キャリアが生成される性質を持つため、外部からの添加物なしに電気伝導度をコントロールすることが難しいという特性を有している。本稿では、真性半導体の基礎特性やバンド構造、実用上の利用形態などを整理し、その重要性を考察する。
半導体の概念と分類
半導体はエネルギーバンド構造の観点から、導体と絶縁体の中間的性質を有する材料として位置づけられている。導体は価電子帯と伝導帯が重なっており、常温でも自由電子が豊富に存在する。一方、絶縁体は価電子帯と伝導帯の間に広いエネルギーギャップがあるため、常温ではほとんど電流を流さない。半導体の場合、エネルギーギャップは導体よりは大きいが絶縁体よりは小さく、温度の変化や不純物添加によって電気伝導度を制御できる点に特徴がある。こうした半導体の中でも、ドーピングを行わず本来の性質を保持している材料が真性半導体という分類に該当する。
バンド構造とキャリア生成
半導体のエネルギーバンド構造は、価電子帯と伝導帯が一定のエネルギーギャップを挟んで存在する。真性半導体は不純物が極めて少なく、価電子帯が温度によって励起されることで電子と正孔が同数生成されるのが特徴である。低温下ではキャリアがほとんど存在しないため抵抗値が非常に高く、温度上昇により少しずつ価電子帯から電子が飛び出すことで電気伝導度が増加する。この生成された自由電子は伝導帯に入り、同時に価電子帯には正孔と呼ばれる電子の空孔が生じるため、電子と正孔の両方がキャリアとして働くことになる。
不純物半導体との比較
不純物半導体では、ドーパントを添加することで電子や正孔を増減させ、バンドギャップ内に不純物準位を形成させる。これにより、温度によるキャリア生成に頼らずに、常温でも高い電気伝導度を得られる。一方、真性半導体には不純物準位がほぼ存在せず、キャリアの生成メカニズムは温度依存型となる。そのため、実用上の多くの応用では、目的に合わせてN型やP型の不純物半導体が選択されるケースが多い。しかしながら真性状態を理解することは、半導体基礎物性やデバイス構造を設計する上で欠かせないステップとなる。
シリコンを例とした真性半導体の性質
シリコンは最も広く使用されている半導体素材であり、通常は不純物をドープしてN型またはP型半導体として用いられる。しかし、ドープを一切行わず純粋な結晶構造を保ったシリコンは、真性半導体として取り扱われることがある。室温付近では自由電子と正孔のペアが少数ながら生成されるが、その生成量は不純物半導体に比べて非常に少ない。このため電気伝導度は低めであるが、外部要因による電子状態の攪乱が少ない点を利用して、高精度なセンサ用途などで研究されることがある。
実用面での利用形態
一般的に半導体デバイスを作製する際は、光電気変換や整流特性の向上を目的にドーピング技術が用いられるため、純粋な真性半導体のままで実装される例は少ない。しかし、研究開発段階や素材評価の際には、デバイス特性を純粋な材料の段階で評価することが重要である。真性状態では電荷キャリアの生成量が温度や照射光などに直接的に依存するため、基礎的な物性を明確に把握できるメリットがある。また、非線形光学特性や高エネルギー物理実験において、雑味のない結晶構造が求められるシーンでは、真性状態の利用価値が高い。
表面・界面現象の影響
真性半導体の電気的特性は、バルク内部だけでなく表面や界面の状態にも大きく影響される。非常に純度の高い単結晶を得ても、表面近傍には欠陥や吸着分子などが存在し、これらが電子や正孔と相互作用して帯電準位を形成する可能性がある。特に微細加工技術が進歩した現代では、半導体デバイスのスケールダウンが進むにつれ、表面・界面がデバイス特性を左右する比重が増している。そのため、真性状態であっても境界領域における欠陥制御やパッシベーション処理が欠かせない。
温度特性とキャリア濃度
真性半導体では電子と正孔の生成が熱励起によって生じるため、キャリア濃度は温度上昇とともに指数関数的に増加する。常温でもわずかではあるがキャリアが存在するため絶縁体とは異なり、実際のアプリケーションでは温度依存性を厳密に考慮する必要がある。高温領域での動作が想定されるセンサや宇宙空間での使用などでは、真性状態におけるキャリア生成がデバイス特性の安定性に影響を及ぼすことから、材料選定や構造設計において重要な検討課題となる。
自己ドーピングと不純物影響
現実には完全な真性半導体を作製することは難しく、微量の不純物や結晶欠陥が混入するのは避けられない。半導体の結晶成長過程において、表面からの吸着や原料純度の問題などにより、自己ドーピングと呼ばれる不純物添加が生じる場合がある。これによりキャリア濃度がわずかに偏り、ほぼ真性に近い状態であっても実際には弱いN型やP型の性質を示すことがある。そのため高純度材料を得るには、結晶成長技術と高度な精製技術を組み合わせたプロセス開発が欠かせない。
基礎研究と真性半導体の意義
半導体物性やデバイス開発の基礎研究において、真性半導体の特性を把握することは欠かせないプロセスである。不純物半導体の動作原理を深く理解するには、まず不純物を含まない純粋な材料がどのように振る舞うかを知ることが前提となる。そこから導き出される理論モデルやバンド構造解析をもとに、ドーピング技術やデバイス設計が進化してきた歴史がある。材料科学やエレクトロニクスの進歩とともに、新たな半導体素材の候補も数多く研究されており、それらを評価する際にも真性状態の評価が第一段階となっている。