p型半導体とは
半導体のバンド構造において価電子帯を主体とした正孔（ホール）を主要なキャリアとするのがp型半導体である。シリコン（Si）やゲルマニウム（Ge）など四価元素をベースに、ホウ素（B）やガリウム（Ga）といった三価元素を少量添加することで受容体（アクセプタ）が形成され、電子が欠損した「正孔」が多数派キャリアとなる。この正孔が伝導に寄与することで、n型とは異なる特性を持つ半導体デバイスを実現できる。半導体素子の多くは、p型とn型を組み合わせたpn接合構造を利用しており、ダイオードやトランジスタ、太陽電池などさまざまな分野で応用が進んでいる。
特徴と形成原理
p型半導体の本質的な特徴は、価電子帯近傍にアクセプタ準位が存在する点にある。三価元素を添加すると、結晶内の共有結合の一部に電子が足りなくなり、その不足分を外部から電子を受け取る形で埋めようとする。これが電子欠乏状態、すなわち正孔を生み出す仕組みである。正孔の移動度は電子の移動度ほど高くはないが、p型領域内では正孔が優勢キャリアとして挙動し、電流の担い手となる。結晶格子の欠陥や不純物レベルの制御が精密化されるほど、デバイス特性は向上していく。
典型的なドーピング元素
p型半導体を形成するための三価ドーパントとしては、ホウ素やアルミニウム（Al）、ガリウム、インジウム（In）などが代表的である。シリコン半導体ではホウ素が最も多く採用される。これら三価元素は、結晶中のSiと置換して共有結合を形成する際に一つ電子が不足するため、アクセプタ準位を持つ。ドーピング濃度を高めるほどキャリア濃度が増し、抵抗値が低くなるが、反面、結晶品質への影響やリーク電流の増加などを考慮する必要がある。
伝導機構
正孔は電子と対になる「欠損部位」であるため、結晶中の価電子が隣接する正孔へと移動することで実質的な「プラス電荷の流れ」が生じる。これをバンド図で見ると、アクセプタ準位が価電子帯付近に存在し、そこに電子が吸い込まれる形で正孔が残る構造となる。熱エネルギーや外部からの励起があれば、さらに多くの正孔が生成される可能性が高まり、p型半導体の伝導度合いを支える。またバンドギャップを持つ物質において、この正孔がどの程度生成しやすいかはドーパントのイオン化エネルギーや温度条件によっても左右される。
用途と応用例
半導体素子は通常、p型とn型の2種類が接合したpn接合を形成することでダイオードの整流特性が得られる。さらにpnp型やnpn型などトランジスタの基本構造も、p型半導体とn型半導体を複数組み合わせることで実現する。LEDや太陽電池においても、発光や光電変換の効率を高めるため、p型領域のキャリア濃度制御が重要な役割を担う。こうした多種多様なデバイスが登場する背景には、p型およびn型への精密なドーピング技術の進化がある。
製造方法
結晶成長段階でドーパントを添加する拡散工程、もしくはイオン注入工程によってp型半導体を作り出す。シリコンウェハ基板上にドーパントをイオンビームとして打ち込み、その後アニール（熱処理）によって活性化させる手法が一般的である。分子線エピタキシー（MBE）や有機金属気相成長（MOCVD）といった手法でも、III-V族化合物半導体をp型にする際に三価元素を精密に導入する。製造プロセスではドーパント濃度や分布を厳密に管理することで、狙い通りのキャリア濃度と電気特性を実現できる。
デバイス特性の向上要因
キャリア濃度やドーパント分布の制御は、p型半導体デバイスの性能向上に直結する。例えばベース領域がp型のトランジスタであれば、ベース抵抗の低減や高速スイッチング特性の最適化を狙って、ドーピングプロファイルを微調整する。さらにバルク結晶内の格子欠陥を低減し、不要なキャリア再結合を防ぐことが、デバイスの高効率化に寄与する。ここで重要なのが結晶成長技術やアニール条件の最適化であり、微細加工技術と合わせて半導体プロセス全体で精密に設計される。
p型半導体設計時の着眼点
- ドーパントの拡散特性：拡散係数が大きい元素ほど深い領域まで広がりやすく、意図しない領域へのドーピングが起きやすい。
- 再結合センターの制御：結晶欠陥や金属不純物が正孔のライフタイムを低下させ、デバイス特性を阻害する。
- 基板品質：単結晶シリコンや化合物半導体基板の純度や結晶性が高いほど、p型特性を狙った通りに実現しやすい。
化合物半導体への応用
GaAs（ガリウムヒ素）やInP（インジウムリン）などIII-V族化合物半導体でもp型半導体が幅広く使われる。例えばGaAsではZnやBeといった三価ドーパントが導入され、レーザーダイオードや高速通信デバイスに適した性能を引き出している。化合物半導体はシリコンよりも電子移動度が高い点で有利な場合が多く、高周波回路や光学デバイスなど先端分野で重要な役割を担っている。
- PN接合やダイオードの基礎：p型とn型の結合が半導体素子の根幹を支える。
- 超微細プロセスへの影響：集積度向上には正孔の移動度やドーパント制御の厳密化が必要。
- 環境耐性と信頼性：高温動作や耐圧特性の向上もp型材料選択の重要ポイントである。