更新日2006年9月1日

目次

半導体

固体を電気伝導率（電気の通り易さ）で分類すると、3種類に分けることができます。

化合物半導体

2種類以上の元素からなる半導体を化合物半導体と呼びます。(ガリウムは金属で、ガリウムひ素化合物は半導体です)
例えば、代表的なものにGaAs（ガリウム・砒素)、InP(インジュウムリン)などがあげられます。

私達の身近なものを例えながら説明しましょう。

トランジスタは用途によっていろんな種類（材料が異なります）があります。HEMTもそのトランジスタの一つです。

役割

スイッチ

ゲートを開閉することで「0」「1」信号を作り出しています。

HEMTは、パラボラアンテナやカーナビゲーションシステム、自動車用レーダに利用され、更に携帯電話の基地局システムへの利用も期待されています。

アンテナのどこに使われているのかな

原理

HEMTは高速・低雑音性に優れたトランジスタです。従来のトランジスタとの違いについて見てみましょう

・HEMT
電子が発生する層と走る層に分かれています。不純物が入っている層で発生した電子は、不純物が入っていない（高純度）層に引き寄せられてから、出口電極(ドレイン）へ向かって移動するので、不純物にぶつかりません。そのため雑音が少なく、電子の移動速度が速いのです。

・従来のトランジスタ
電子を発生させるための層と電子の走る層が同じ材料の中なので、電子が不純物にぶつかり、雑音が発生しやすく、電子の移動速度が遅くなります。

つまり、HEMTが100メートル走だとすると、従来のトランジスタは障害物競走の様なイメージです。

作り方

HEMTには、電子が走るための高純度GaAs層(ガリウムひ素層)が必要です。この層は、電子が通る時にぶつかる『不純物』をできるだけ少なくしたGa(ガリウム)とAs(ひ素)が、規則正しく並んだ精度の高い結晶体です。市販のGaAs基板は不純物がわずかに混ざっているため、市販の基板の上に高純度の層を作成します。

・精度の高い結晶部分（高純度GaAs層）はどのように作るのでしょうか。

5)同じ方法で、GaAs層の上にAlGaAs層を作ります。その精度の高い結晶の上に電極をつけるとHEMTの完成です。

車のどこに使われているものなの

自動車用レーダは車の前方バンパーくらいの位置に取り付けられており、その中にHEMTが使われています。
自分の車から電波を発信して、前を走る車との相対速度(前者との差分速度)と距離を探知する装置です。前の車に衝突する前に警報を鳴らして運転手に危険を知らせたり、自動的に車間距離を制御することができます。

76GHzってどんな周波数なの

電子レンジより更に高周波で、郵政省で決められた周波数です。また、76GHzの高周波には次の利点があります。

1）高周波は波長が短いので、前者との距離を細かく測ることができます。

2）波長が短いと放射された電波のビーム幅を狭く出来るので、車線外からの不要な反射や干渉を避けることができます。

3）雨、雪、霧に強いため、前方の視界が悪い時も力を発揮できます。

身近なところで使われている電波と比較しましょう。

76GHzを扱うHEMTの原理

自動車用レーダHEMTにはIn(インジウム)を入れています。電子通過層の高純度ガリウムひ素にIn(インジウム)を入れることにより、たくさんの電子を高速に走らせることができます。

携帯電話などの移動通信システムには、通信速度の高速化、大容量化が求められています。また、基地局を設置し易くするために低消費電力化も重要です。このためには、高周波で動作し、信号の歪み難い、かつ効率よく電力を電波に変換できるトランジスタが必要です。窒化ガリウムを使ったHEMTはこの用途に最適なトランジスタです。

従来構造と開発した構造の違い

・従来構造

電子が生まれる層に窒化アルミニウムガリウムを使い、電子が走る層には窒化ガリウムを使います。
しかし、窒化アルミニウムガリウムは表面が不安定なため、ゲート電極に電圧をかけた時、ゲート電極の下へ電流が漏れるなどの現象が起こっていました。そのため、効率が悪いトランジスタ（ドレイン電極で得られる0と1の信号の変化が小さい）という問題がありました。

・開発した構造

電子が生まれる層に窒化アルミニウムガリウムを使い、電子が走る層には窒化ガリウムを使うのは従来品と同じですが、窒化アルミニウムガリウムとゲート電極の間に窒化ガリウムを追加しています。すると、ゲート電極下に電流が漏れるのを防ぐバリアのような役目をしてくれるため、効率良いトランジスタ（ドレイン電極で得られる0と1の信号の変化が大きい）を実現しました。

特徴

・高電流、高電圧でも壊れにくい

窒化ガリウムや炭化けい素の破壊電界値はシリコンの約10倍で、高電圧でも壊れにくい特長があります。また、走行電子濃度も10倍でたくさんの電流が流れます。

・効率が良い

材料の効率の良さは、主に、電子の移動度と飽和電子速度で判断します。
飽和電子速度以上の電圧量になると電子がいろいろな障害物にぶつかるような現象がおこり、電子の動きが悪くなります。飽和電子速度が大きいほうがこの現象が起きにくく、より高い電圧をかけることができ、効率良く動作することができます。
このため、飽和電子速度の大きな窒化ガリウムを使用しています。

例えて言うと、電子の移動度は加速、飽和電子速度は最高速度のようなイメージになります。

・熱伝導に優れている

熱伝導率は窒化ガリウムよりも炭化けい素のほうが更に3倍以上も上回っているため、トランジスタを動かしたときに出る熱を放熱させる構造になっています。