半導体の概要
半導体は、無機または有機の材料であり、その導電性は化学構造、温度、照明、ドーパントの存在によって制御できます。半導体という名前は、これらの材料が銅や金などの金属とガラスのような絶縁体の間の電気伝導性を持つことに由来します。エネルギーギャップは4eV未満（約1eV）で、固体物理学ではこのエネルギーギャップまたはバンドギャップは、電子状態が禁止される価電子帯と伝導帯の間のエネルギー範囲です。導体とは異なり、半導体の電子はバンドギャップを越えて伝導帯に到達するためにエネルギー（例えば、イオン化放射線から）を得る必要があります。半導体の性質は、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップによって決定されます。
半導体の製造プロセス
半導体は、半導体製造または「半導体ファブリケーション」と呼ばれるプロセスを使用して作られます。以下は、そのプロセスに関与する基本的なステップです：
- 結晶成長：半導体製造の最初のステップは、純粋なシリコンの結晶を成長させることです。これは、プロセスの残りの部分の基板として機能します。
- ウェハー準備：結晶が成長した後、それは薄いウェハーにスライスされます。これらのウェハーは、表面の欠陥や不純物を除去するために研磨されます。
- フォトレジスト塗布：ウェハーの表面に薄いフォトレジスト材料の層が適用されます。
- フォトマスキング：フォトマスクがウェハーの上に配置され、全体が紫外線にさらされます。フォトレジスト材料は光に反応して、ウェハーの表面にパターンを作ります。
- エッチング：化学溶液またはプラズマを使用して、フォトレジストによって保護されていない領域からシリコン材料を除去するためにウェハーがエッチングされます。
- イオン注入：イオンがウェハーの露出した領域に注入され、その電気的特性を変更します。
- 熱処理：ウェハーは、注入されたイオンを活性化し、シリコン結晶構造をアニールするために炉で加熱されます。
- 堆積：化学蒸着などの方法を使用して、薄膜材料の層がウェハーに堆積されます。
- フォトリソグラフィ：フォトレジストが除去され、ウェハーは新しいフォトレジストの層でコーティングされます。このプロセスは、ウェハー上に追加のパターン材料の層を作成するために繰り返されます。
- ダイシングとパッケージング：全ての層が完成したら、ウェハーは個々のチップに切り分けられ、電子デバイスで使用するためにパッケージングされます。
半導体製造プロセスは高度に自動化され、精密であり、単一のチップを作成するために多くのステップが何百回も繰り返されます。
半導体のタイプ
電子特性に基づいて、半導体は二つの基本的なタイプに分類できます：
- 固有半導体：これらは純粋な半導体であり、単一の元素（例：シリコン、ゲルマニウム）からなり、不純物で意図的にドーピングされていません。固有半導体は、その価電子帯と伝導帯に特定の数の電子を持ちます。加熱されると、いくつかの電子は十分なエネルギーを得て、その結合から解放され、伝導帯の自由電子となります。
- 外来半導体：これらは不純物で意図的にドーピングされている不純な半導体で、その電子特性を変更します。外来半導体はさらに二つのタイプに分類されます：
- p型半導体：p型半導体では、ホウ素のような不純物原子が半導体材料に導入されます。これらの不純物は、半導体材料よりも価電子が少ないため、価電子帯に「穴」（電子の不在）が作られます。これらの穴は正の電荷キャリアのように電流を導くことができ、その材料にp型の指定を与えます。
- n型半導体：n型半導体では、リンのような不純物原子が半導体材料に導入されます。これらの不純物は、半導体材料よりも価電子が多いため、伝導帯に余分な電子が作られます。これらの余分な電子は負の電荷キャリアのように電流を導くことができ、その材料にn型の指定を与えます。
