工学教育への展開を目指したバイポーラトランジスタ作製教材の開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K02895
• Research Institution: Suzuka National College of Technology
• Principal Investigator: 辻 琢人 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (70321502)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 半導体デバイス / バイポーラトランジスタ / 半導体デバイス作製教材

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，これまでの研究で確立してきた不純物拡散層の形成技術を基に，半導体デバイスの中で基本となる代表的なデバイスの一つであるバイポーラトランジスタの作製技術とその動作原理を理論と実践の両面から効果的に習得することに繋がるバイポーラトランジスタ作製教材を開発している．
バイポーラトランジスタにはnpn型とpnp型があるが，本研究ではトランジスタ内を電子が移動するnpn型バイポーラトランジスタ(npn BPT)の作製教材の開発を試みている．npn BPTは電子の多い2つのn型と正の電荷を帯びた正孔の多いp型で構成され，n型からp型へ電子が注入され，それがもう一方のn型に到達することで動作する．昨年度までの研究によって，npn BPTを作製する基本的な技術・工程が確立できた．
npn BPTのnpn構造の形成には，p型不純物拡散層の上にn型不純物拡散層を形成する必要があるため，p型不純物拡散層の上に形成したn型不純物拡散層を形成し，そのpn接合の電気的特性を評価したところ，1100℃で形成するp型不純物拡散層の熱処理時間が長くなるにつれて，整流性ではなく線形性を示すことが確認された．
その結果，n型Si基板上のp型不純物拡散層上に形成したn型不純物拡散層で構成されるnpn BPTのエミッタ接地回路のコレクタ電流がコレクタ－エミッタ間電圧の変化に対してほぼ一定の特性を示す一般的なエミッタ接地回路の電流－電圧特性を示す一方で，そのコレクタ電流が小さくなったのではないかと思われる．
以上の結果，p型不純物拡散層の上にn型不純物拡散層は形成できるものの，そのpn接合でnpn BPTの作製に必要な電流－電圧特性を得ることは容易でないことが見込まれたことから，npn構造を縦方向に形成したサブストレート型ではなく，横方向に形成するラテラル型npn BPTの設計を行い，その作製を試みた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度までの研究成果に基づいて，縦方向にnpn構造を形成したサブストレート型npn BPTを作製し，そのエミッタ接地回路の電流－電圧特性を評価した結果，非常に小さいコレクタ電流が流れた．その要因として，n型不純物拡散層上に形成したp型不純物拡散層で構成されるpn接合が整流性を示さず，線形性を示したことが考えられる．
そのため，n型Si基板上のp型不純物拡散層上にn型不純物拡散層を形成したサブストレート型のnpn構造を使ってnpn BPTの典型的な電流－電圧特性を得ることは容易でないことが見込まれたことから，npn構造を横方向に形成するラテラル型npn BPTの作製を目指して，その構造を再設計し作製した．
ラテラル型のnpn BPTの作製には，p型Si基板を使い，フォトリソグラフィー技術を使って，数十μm幅のp型Siの両側にn型不純物拡散層を形成してnpn構造を形成し，ラテラル型npn BPTを作製した．
作製したラテラル型npn BPTのベース接地回路の電流－電圧特性を測定した結果，コレクタ－ベース間電圧の変化に対して，コレクタ電流はほとんど変化せず，また，エミッタ電流とほぼ同程度のコレクタ電流が流れたことから，典型的なベース接地の電流－電圧特性を示すnpn BPTが作製できる教材を開発できる見通しが得られたのではないかと考えている．
その一方で，エミッタ接地回路の電流－電圧特性では，ベース電流に対して比較的小さいコレクタ電流が流れた．この要因として，エミッタとなるn型不純物拡散層からベースとなるp型Siに注入された電子が，コレクタとなる，もう一方のn型不純物拡散層に効果的に到達できていないことが原因ではないかと推察された．

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究成果によって，npn BPTの作製に必要な基本的な技術・工程を確立し，npn BPTを作製・評価する環境が整備され，npn BPTの作製及びその特性に関する知見も蓄積できているのではないかと考えている．
そして，サブストレート型及びラテラル型，それぞれのnpn BPTを実際に作製し評価した結果，npn BPTの電流－電圧特性の改善に必要な手段を見通すことができていることから，検討しているその手段にしたがって，ラテラル型npn BPTを設計し直し，ラテラル型のnpn BPTを作製・評価する予定である．
npn BPTの電流－電圧特性の具体的な改善手段は，現時点ではエミッタ及びコレクタとなるn型不純物拡散層とベースとなるp型Siのレイアウト設計の見直しなどを予定している．それによって，エミッタとなるn型不純物拡散層からベースとなるp型Siに注入される電子が，コレクタとなる，もう一方のn型不純物拡散層に効果的に到達できるのではないかと考えている．
このようにして，開発を試みている本教材で作製するnpn BPTの電流－電圧特性の改善を図る一方，ベースとなるp型Siの幅＝「ベース幅」が異なるnpn BPTも作製し，異なるベース幅のnpn BPTの電流－電圧特性の違いも比較・検討可能となる，より実践的なnpn BPT作製教材の開発を試みる．
さらに，本教材の他の教育研究機関への展開を視野に入れて，npn BPTをより簡略化した工程で作製できるように，これまでの研究成果で得られた知見及び技術を活かした作製工程も検討する予定である．

Causes of Carryover

これまでの取り組みによって，npnバイポーラトランジスタの作製教材の開発で必要となる基本的な技術・工程を確立でき，必要となる知見も蓄積できているのではないかと考えられる．その結果，npnバイポーラトランジスタの作製教材の開発で必要となる基本的な技術・工程は概ね確立できたが，所望の電圧－電流特性を有するnpnバイポーラトランジスタを作製する教材開発には，Si基板，不純物拡散層やシリコン酸化膜の形成，電極の形成，及びフォトリソグラフィー技術による二次元構造などをより適切な条件で形成しなければならないと考えている．そして，作製したnpnバイポーラトランジスタの物性的特性及び電気的特性を評価する必要があることから，この研究を支障なく遂行するために必要となる実験装置や様々な材料を用意して，試料を作製及び評価するために使用する予定である．