半導体工学
半導体工学は、電子の量子力学的ふるまいとデバイス構造・製造プロセス・回路設計を統合し、情報処理・電力変換・センシングを実現する学際領域である。バンドギャップ、キャリア統計、界面・欠陥制御を基礎に、pn接合やMOSFET、HEMTなどの素子を高信頼に量産し、集積化する体系を扱う。材料はSiを中心に、SiCやGaNなどワイドギャップ化が進む一方、微細化と3D実装で配線・熱・ばらつきの工学が重要になっている。
基本概念（バンド構造とフェルミ準位）
半導体工学の骨格は価電子帯・伝導帯と禁制帯幅Egである。ドナー・アクセプタ濃度でフェルミ準位が動き、n型・p型が規定される。キャリア密度n,pは熱平衡でnp=ni2に従い、niは温度とEgで指数的に変わる。実効質量や有効密度状態が移動度・拡散係数を左右する。
キャリア輸送（ドリフトと拡散）
電界E下でのドリフト電流はJd=q(nμn+pμp)Eで与えられる。濃度勾配∇nによる拡散電流はJdiff=qD∇nで、アインシュタイン関係D=μkT/qが成り立つ。散乱はフォノン・不純物・界面粗さが支配し、微細化で表面散乱が顕在化する。
pn接合とダイオード式
pn接合は空乏層と内蔵電位で整流性を示す。順方向電圧VでI=Is(eqV/kT−1)に従い、逆方向は拡散・再結合・ツェナー/アバランシェが支配する。接合容量Cjが高周波特性を決め、素子スイッチング損失に直結する。
MOS構造とMOSFET
MOSは金属ゲート/酸化膜/半導体の積層で、ゲート電圧で反転層を形成しチャネルを開く。しきい値Vthはドーピング・酸化膜厚・固定電荷・トラップで決まる。短チャネル化でDIBLやチャネル長変調が増大し、FinFETやGAAが静電制御を改善する。
主要デバイス
- ダイオード：整流・クランプや検波に用いる。高速品はショットキーが有効。
- BJT：高gmと線形性に優れ高周波増幅で使用。
- MOSFET：CMOSの基本。低消費電力ロジックとアナログに広く用いる。
- IGBT：高耐圧・低損失でモータ駆動やインバータに最適。
- HEMT（GaN）：高電子移動度により高周波・高効率増幅で活躍。
材料選択（Si・SiC・GaN）
半導体工学では性能指数（臨界電界×熱伝導×移動度）で材料を比較する。Siは成熟・低コスト、SiCは高耐圧・高熱伝導でEV/産業用、GaNは高周波・高効率に強い。欠陥密度や基板サイズ、エピ成長コストが設計最適点を左右する。
微細化とリソグラフィ
CMOSの微細化はEUV、マルチパターニング、ハイNAの導入で進む。配線は抵抗・寄生容量が律速となり、低k材とバリア薄膜、Cu/Co/Ruなど材料工学が重要。3D NANDや先端ロジックでは積層・ハイブリッドボンディングが実装の鍵である。
集積回路とシステム設計
ロジックはCMOSでスイッチング電力P∝CV2fが支配する。SRAM/DRAM/Flashは記憶原理が異なり、SoCではCPU・GPU・NPUを統合する。EDAでレイアウト/検証を行い、PVTばらつきに対しタイミング・SI/PIのマージン設計を行う。
製造プロセスの流れ
酸化・成膜（CVD/ALD）・フォト・エッチ・イオン注入・アニール・CMP・配線形成が基本シーケンスである。クリーン度と欠陥管理、プロセスウィンドウの統計設計が歩留まりを決める。メトロロジで形状・電気特性を逐次フィードバックする。
信頼性モードと対策
TDDB・BTI・HCI・EM・ESDが代表的劣化である。界面欠陥や捕獲/放出ダイナミクスがVthシフトやノイズを誘発する。設計では電界低減、自己発熱抑制、ガードリングやレイアウト分散で耐性を高め、寿命モデルで保証する。
計測・評価の要点
I–V/C–Vやホール測定でキャリアと界面特性を同定する。TEM/SEM/AFMで微細構造を可視化し、TDDBやHTOLで加速試験を行う。パワー素子ではスイッチング波形、損失分解、熱インピーダンスを測り、実機条件での安定性を確認する。
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