【半導体工学】固体の結晶の種類 (単結晶・多結晶・アモルファス)

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工学

本記事では固体の結晶の種類について説明します.それぞれに特徴や応用があるので,それぞれで紹介していきます.

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固体の結晶の種類

半導体を含む固体の結晶は原子配列によって単結晶,多結晶,アモルファスの3種類に分類することができます.本章では固体の結晶の分類と,その分類の違いにより半導体の性質に違いが出るかを説明します.

単結晶

単結晶
図1 単結晶のイメージ図

単結晶は図1のような結晶全体が規則的な原子配列で構成されている結晶です.通常単結晶を生成するためには高温高圧が必要で,高温によって溶けた物質の一か所の温度が下がり,その基点のみからその物質が固まることで単結晶が出来上がります.透明に見えるダイアモンドなども単結晶で,多結晶のダイアモンドは宝石のような透明感と輝きはありません.

集積回路などに使われるシリコン (Si)半導体は単結晶であり,純度が99.999999999 % (イレブン・ナイン)ほどの高い純度の単結晶構造を持ちます.単結晶は高い移動度を持ち,すべての箇所で原子配列が同じであるため,場所による特性の違いが出にくい特徴などがあるため集積回路では単結晶が使われます.

多結晶

図2 多結晶のイメージ図

多結晶は図2のように部分的に一定の原子配列を持つ結晶です.多結晶は微細な単結晶 (微結晶)が複数つながっている構造であり,隣接する微結晶間で結晶粒界という界面が存在します.この性質により一般に多結晶は単結晶に比べて強度が弱く,半導体などにおいては移動度が低くなります.

多結晶のシリコンはポリシリコンと呼ばれ,IC (集積回路)や太陽電池で用いられます.単結晶シリコンのICに比べて性能落ちますが,ポリシリコンでできたICもあります.その他には単結晶のICにおいても高濃度の不純物を添加されたポリシリコンはゲートとして用いられます.ポリシリコンゲートは金属ゲートなどと比べてその後に高温のプロセスに耐えられるメリットがあります.太陽電池において,多結晶は単結晶に比べて発電効率は下がってしまいますが,より安く製造できるメリットがあります.反対に次に説明するアモルファスと比べて多結晶の方が移動度が高くなります.その特徴を生かして,シリコンが使われる液晶ディスプレイ (LCD)であるTFT液晶 (Thin Film Transistor LCD)ではアモルファスの代わりにポリシリコンを用いた低温ポリシリコン液晶という液晶ディスプレイがあります.

アモルファス

図3 アモルファスのイメージ図

アモルファスは図3のように原子配列がランダムな結晶です.有名なアモルファスとしてはガラスがあります.アモルファスは結晶がないため均質となり,結晶粒界や欠陥などの特に弱い箇所がない特徴があります.そのほかには結晶構造がランダムであるため移動度が小さくなり,一定のエネルギーバンドを持たない特徴があります.

アモルファスシリコン (a-Si)は結晶のランダム性によって単結晶シリコンに比べて光吸収係数が高く,太陽電池においてはより薄く,簡単でかつ低い温度が生成できるためより安く,より加工しやすい特徴があります.他にはアモルファスシリコン (a-Si)を用いた液晶ディスプレイ (LCD)であるTFT液晶 (Thin Film Transistor LCD)があります.

まとめ

本記事では原子配列によって単結晶多結晶アモルファスの3種類の固体の結晶についての説明と特徴・応用を紹介しました.単結晶は結晶全体が規則的な原子配列で構成されている結晶,多結晶は部分的に一定の原子配列を持つ結晶,アモルファスは原子配列がランダムな結晶で,それぞれに特徴があり,その特徴を生かして様々に応用されています.

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