酸化物半導体とエレクトロニクス

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工学部 情報エレクトロニクス学科 電気電子コース

電子科学研究所

半導体エレクトロニクスの最前線（5）

平成２８年５月１６日

太 田 裕 道

全学教育科目「科学・技術の世界」

― 石ころ素材でテレビができる？ ―

石ころ素材 トランジスタ

？

半導体とは？

金属 絶縁体 半導体

抵抗率：10-8 W m 抵抗率：1014 W m 抵抗率：10-5 – 103 W m

半導体： 温度変化や加工・製造法で電気抵抗率が変化

半導体の元素

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

半導体の歴史

1939年 Geﾀﾞｲｵｰﾄﾞ （Ohl）

1947年 ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ効果発見（Shockleyら）1956 Novel賞

1962年 MOS FET（Hofstein）

1969年 超格子（Esaki）

1980年 HEMT

1970年 GaAs半導体ﾚｰｻﾞ

1989年 GaN青色LED（Akasaki）

1995年 GaN紫色半導体ﾚｰｻﾞ （Nakamura）

1960年 MBE（Esaki）

1953年 FZ法（Golay）

1980年 量子ﾎｰﾙ効果（Klitzing） 1985 Novel賞

半導体ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究の起爆剤

ﾊﾟﾗﾎﾞﾗｱﾝﾃﾅ

CD, DVD

高密度 DVD

白色照明

ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの基礎

1957年 ﾄﾝﾈﾙﾀﾞｲｵｰﾄﾞ（Esaki）1973 Novel賞

1988年 GMR（Fert）2007 Novel賞

真空管

1947年 ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ発明

電界効果トランジスタ（MOSFET）

Si単結晶

Si-MOSFET

ドレイン電圧

ドレイン電流

ゲート電圧

酸化物半導体の元素

最も有名な酸化物半導体InGaZnO4

S

1 dec.

a-Si a-IGZO

mFE [cm2V-1s-1] 0.5 ~10

on/off ~103 ~103

S [Vdecade-1] 0.4 ~2

102-103

a-Si a-IGZO

mFE [cm2V-1s-1] 0.5 ~10

on/off ~103 ~1010

S [Vdecade-1] 0.4 0.2

Canon Inc. 2009

8

酸化物半導体InGaZnO4トランジスタ

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InGaZnO4トランジスタの動作機構

スイッチオフ スイッチオン

電気流れない 電気流れる

電子が集合

電子はまばらに存在

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IGZO液晶 従来液晶

12時間 6時間

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偏光板

ガラス基板

液晶

カラーフィルター

白色LED光

ディスプレイの色・明るさを変える

ためのスイッチ

トランジスタ

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SiとInGaZnO4の電子移動度

電子移動度 0.1 cm2/Vs 電子移動度 1500 cm2/Vs

電子移動度 10 cm2/Vs 電子移動度 20 cm2/Vs

結晶Si アモルファスSi

結晶InGaZnO4 アモルファスInGaZnO4

従来ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ IGZOﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

IGZOは従来よりもバックライトの明るさを暗くすることができる

低消費電力

電子の移動速度が速いのでトランジスタを小さくできる

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iMac Retina 5K

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17

iPad Pro

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光触媒

1980

1990

2000

2010

1939年 Geﾀﾞｲｵｰﾄﾞ （Ohl）

1947年 ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ効果発見（Shockleyら） 1956 Nobel賞

1962年 MOS FET（Hofstein）

1969年 超格子（Esaki）

1980年 HEMT

1970年 GaAs半導体ﾚｰｻﾞ

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1989年 GaN青色LED（Akasaki） 2014 Nobel賞 1995年 GaN紫色半導体ﾚｰｻﾞ （Nakamura）2014 Nobel賞

1960年 MBE（Esaki）

1953年 FZ法（Golay）

1980年 量子ﾎｰﾙ効果（Klitzing） 1985 Nobel賞

1986年 La-Ba-Cu-O高温超伝導（Bednorz, Muller） 1987 Nobel賞

2004年 ZnOﾎﾓ接合青色LED（Kawasaki）

2004年 透明ｱﾓﾙﾌｧｽTFT（Hosono）

2004年 絶縁体界面2DEG（Hwang）

1997年 NaCoO2巨大熱電効果（Terasaki）

1980年 LiCoO2（Goodenough）

1972年 TiO2光触媒（Honda, Fujishima）

2007年 ZnO量子ﾎｰﾙ効果（Ohtomo）

2007年 SrTiO3-2DEG巨大熱電効果（Ohta）

2008年 LaFeOAs新超伝導体（Hosono）

1995年 酸化物ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの始まり (TITech)

1996年 層状Mn酸化物GMR（Tokura）

2003年 NaCoO2・H2O超伝導（Takada）

1954年 In2O3透明導電性（Rupprecht） 半導体ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究の起爆剤

酸化物ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究の起爆剤

半導体 酸化物

次世代LCD

ﾊﾟﾗﾎﾞﾗｱﾝﾃﾅ

CD, DVD

高密度 DVD

Liｲｵﾝ電池

液晶TV

白色照明

ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの基礎

1957年 ﾄﾝﾈﾙﾀﾞｲｵｰﾄﾞ（Esaki）1973 Nobel賞

1988年 GMR（Fert）2007 Nobel賞

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vs.