理工学研究科Graduate School of Science and Engineering
ELC500X2（電気電子工学 / Electrical and electronic engineering 500）半導体工学特論Semiconductor Electronics
宇佐川 利幸Toshiyuki USAGAWA
授業コードなどClass code etc
| 学部・研究科Faculty/Graduate school | 理工学研究科Graduate School of Science and Engineering |
| 添付ファイル名Attached documents | |
| 年度Year | 2022 |
| 授業コードClass code | YA519 |
| 旧授業コードPrevious Class code | |
| 旧科目名Previous Class title | |
| 開講時期Term | 春学期授業/Spring |
| 曜日・時限Day/Period | 金3/Fri.3 |
| 科目種別Class Type | |
| キャンパスCampus | 小金井 |
| 教室名称Classroom name | 各学部・研究科等の時間割等で確認 |
| 配当年次Grade | |
| 単位数Credit(s) | 2 |
| 備考（履修条件等）Notes | |
| 実務経験のある教員による授業科目Class taught by instructors with practical experience | |
| カテゴリーCategory | 電気電子工学専攻 |
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Outline (in English)
The purpose and the overview of the focused semiconductor engineering;
(0) Summary of semiconductor physics; Crystal structure, Bloch equation, Fermi liquids, Physics of mobility until about 700℃, Power FETs, FETs type Hydrogen gas sensors, Physics of temperature dependence of metals such as Cu, Pt, Ti crystals.
(1) A few nm level of ULSI wiring by Cu metals is limited by the Cu-grain boundary resistance instead of Cu resistivity.
(2) Metal/Semiconductor quantum tunneling in ohmic contacts
(3) Hydrogen-assisted lowering potential between Pt grain boundaries shows Vth shift of Pt-gate MOSFETs or the change the Pt films under hydrogen gas environment.
(4) Pt-Ti-O gate Si-MOSFET or SiC MOSFET hydrogen gas sensors
(5) Oxidized Sn semiconductor indicate changing surface potentials by gas adsorption
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の概要と目的（何を学ぶか）Outline and objectives
半導体工学には、量子力学の関与が広い範囲で現れる。本講義では、筆者の研究開発も交えて、やや偏った最先端の半導体工学の最前線を紹介する。最初に半導体の物理を「キッテルの固体物理学」を用いて、結晶構造、Bloch式による電子状態、金属が電子液体であること、などを学ぶ。Si, SiC半導体での電子移動度の物理や、超高温（700℃位まで）FET動作を、ガスセンサ、パワーデバイスの事例を紹介する。また数10ナノのSi-ULSIでは、配線金属のCu金属の粒界散乱が抵抗を決定し始めており、その物理的側面を紹介する。またPt貴金属粒界間の電気伝導が水素環境下において、乖離水素がPt粒界電気伝導やMOSFETの閾値電圧Vthの値変化やPt薄膜の電気伝導が変化する水素物性を紹介する。この特異なPt-Ti-OゲートMOSFETの水素類似ガスの検出するガスセンサを紹介する。
到達目標Goal
現状半導体がおかれている状況は、集積化路線が一部のメーカに偏り始めている。これを踏まえて、新しい半導体工学の流れやベースにあるデバイスやデバイス物理を理解する。講義の内容を、自分の行っている研究に役立てることを目指す。一方無謀とも思える方向にも一定の研究を注ぐべきフェーズになっているように感じる。
若い大学院生にはぜひチャレンジしてほしい。
配布論文を復習として読むことを進める（学術論文は教科書とは異なり、研究を始めた大学院生には良い教訓が得られると思う）。
この授業を履修することで学部等のディプロマポリシーに示されたどの能力を習得することができるか（該当授業科目と学位授与方針に明示された学習成果との関連）Which item of the diploma policy will be obtained by taking this class?
ディプロマポリシーのうち、「DP1」「DP2」「DP3」に関連
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の進め方と方法Method(s)（学期の途中で変更になる場合には、別途提示します。 /If the Method(s) is changed, we will announce the details of any changes. ）
配布論文を復習として読むことを進める（学術論文は教科書とは異なり、研究を始めた大学院生には良い教訓が得られると思う）。
微細化技術を原動力とする半導体技術の成熟化に伴い、半導体産業は大きな転換期を迎えつつある。この様な成熟環境下での研究開発の方向のひとつは、微細加工技術には依存しない「材料技術」からのアプローチである。本講義では、主として電子デバイスの発展を通じたヘテロ接合/量子井戸/バンドギャップ/半導体上の各種接合などの材料技術思想が果たした歴史的役割（失敗も含む）を俯瞰し、今後の発展方向の議論や講師の研究も紹介したい。授業の1－2日前に当日授業内容をメールでファイルを渡すことで、予習ができるようにする.
アクティブラーニング（グループディスカッション、ディベート等）の実施Active learning in class (Group discussion, Debate.etc.)
なし / No
フィールドワーク（学外での実習等）の実施Fieldwork in class
なし / No
授業計画Schedule
授業形態/methods of teaching：対面/face to face
※各回の授業形態は予定です。教員の指示に従ってください。
第1回[対面/face to face]：半導体物理学の復習1
Si,GaAs,SiCの結晶構造； ｋ－空間の構造、キッテルの固体物理をベースに紹介
第2回[対面/face to face]：半導体物理学の復習2
Bloch方程式と工学的事例； クローニッヒペニーモデルを紹介
第3回[対面/face to face]：電子液体としての金属
Fermi liquid (フェルミ液体)など
第4回[対面/face to face]：移動度μの由来と温度特性
Si,SiC結晶の移動度μ；各種機構（低温から高温：７００℃まで）
第5回[対面/face to face]：高温動作（700℃） SiC-MOSFET
高温動作が可能なSiC半導体の事例：パワーデバイスの小型化や高温でのガスセンサ動作
第6回[対面/face to face]：金属の電気伝導：温度特性
Si-LSIの配線金属Cu等の電気伝導と温度特性；Cu粒界律速で抵抗が決まる
第7回[対面/face to face]：金属/半導体（金属）間
トンネル効果
金属の接触抵抗のオーミック特性：トンネル効果のWKB近似
第8回[対面/face to face]：量子細線の電気伝導
数10nmレヴェルの加工技術のSi－ULSIの配線では、Cu粒界の抵抗が高速化・高密度化の制限因子になる時代
第9回[対面/face to face]：金属粒界間電子
トンネル効果
Cu,Pt微粒子の粒界障壁での電子のポテンシャル障壁のトンネル効果
：WKB近似からのアプローチ
第10回[対面/face to face]：Pt粒界に蓄積する水素原子の定量
水素顕微鏡、TEM, SEMなどによる水素原子の定量
第11回[対面/face to face]：金属粒界間水素アシスト電子トンネル効果
Cu,Pt微粒子の粒界障壁での電子のポテンシャル障壁のトンネル効果
水素原子がポテンシャル障壁を下げる現象
第12回[対面/face to face]：Pt-Ti-OゲートSi-MOSFET型 水素類似ガスセンサ原理
Pt微粒子粒界間隙を乖離水素原子が移動、Pt-H分極による閾値電圧のシフトから、外界の水素濃度を決定する。
第13回[対面/face to face]：Pt-Ti-OゲートSi-MOSFET型 水素類似ガスセンサ
デバイス動作、デバイス構造、具体的応用例、MEMS構造などの熱設計
第14回[対面/face to face]：金属酸化物半導体(スズ酸化物 SnO2)のガスセンサ
SnO2微粒子の接合の物理；水素ガス吸着による、表面空乏層の変化でガス濃度を検知；WKB近似からのアプローチ
授業時間外の学習（準備学習・復習・宿題等）Work to be done outside of class (preparation, etc.)
【本授業の準備・復習時間は、各４時間を標準とします。】配布論文を復習として読むことを進める（学術論文は教科書とは異なり、研究を始めた大学院生には良い教訓が得られると思う）。量子力学、半導体物理、半導体デバイスの原理について、学部の授業内容を復習して欲しい。英語の文献を読みこなす訓練をして欲しい。仲間を作って勉強会をやると能率的です。
テキスト（教科書）Textbooks
レジュメを配布する。行間を埋めて欲しい。
参考書References
半導体デバイスの標準的教科書は例えば、S.M.Sze Physics of Semiconductor Devices, Wiley& Sons
原論文を授業で示すので、読んでみて欲しい。
成績評価の方法と基準Grading criteria
(1)試験の1月前くらいにレポート問題を出すので、最終講義日までに提出。
(2) レポート問題(40%)の出来具合と平常点(60%)を加味して総合的にきめる。
学生の意見等からの気づきChanges following student comments
昨年は、学生の現状についての認識にギャップがあったので、今年は、基礎フェーズに戻して講義する。
その他の重要事項Others
自分で勉強し、考える態度を身につけよう。過去の失敗例も重要な
知的財産である。疑問が生じたら、すぐに教官に質問しよう。仲間と議論するのも有用。配布論文を復習として読むことを進める（学術論文は教科書とは異なり、研究を始めた大学院生には良い教訓が得られると思う）。