ゲルマニウムナノ結晶の自己集合化と学習機能擬似ニューロデバイスへの応用

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650328
• Research Institution: MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
• Principal Investigator: 福田 永 室蘭工業大学, 工学部, 助教授 (10261380)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野村 滋 室蘭工業大学, 工学部, 教授 (10002859)
• Keywords: ゲルマニウム / ナノ結晶 / 量子井戸 / 量子トンネル伝導 / 量子閉じ込め効果 / MOS構造

Research Abstract

本研究は、シリコン酸化膜(SiO_2)中にナノサイズのゲルマニウム(Ge)微結晶を自己集合化し、それらが作る量子井戸に電子を1個ずつ捕獲させることを目的としている。さらに、ニューラルネットワークの適用学習型電子デバイスとして動作させることについて検討した。SiO_2中のGe結晶は量子ドットを形成しており、0次元の量子閉じ込め効果により可視発光することが報告されている。本研究は、SiO_2を含有した珪素化合物とGeO_2を主成分とした有機金属溶液を混合し、酢酸エチルで希釈した溶液を試料表面にスプレースピン塗布した。焼結のための熱処理を行った結果、800℃以上の温度でGe微結晶が成長していることをラマン分光スペクトルより確認した。また、ラマンピークの半値幅からGe結晶サイズを見積もつた結果、平均で3.1〜5.2nmであった。結晶サイズ径は熱処理温度の上昇に伴い増加する傾向が見られた。次にHe-Cdレーザー励起によるフォトルミネッセンス測定を行った結果、量子閉じ込め効果による強い青色発光(波長420nm)が室温で観測された。次にMOS構造を作製し、SiO_2/Ge/SiO_2量子井戸に電子を注入することを試みた。容量-電圧(C-V)測定を行った結果、電子注入後、電子捕獲によるフラットバンド電圧の正方向シフトが確認された。電流-電圧(I-V)特性によるSiO_2中の電気伝導を調べた結果、ステップ状の電流変化および低電圧側からのリーク電流の増加が確認された。二重障壁量子井戸構造を仮定したトンネル伝導計算を行った結果、実験データは量子共鳴トンネル伝導を忠実に再現していることが判明した。今後は、SiO_2中のGe結晶径の制御および深さ方向制御ができるようプロセスの最適化を図る。さらにMOSFET構造でのデバイス動作を確認し、シナプス動作を実現させる。

Research Products

• [Publications] K.M.A.Salam, H.Konishi, M.Mizuno, H.Fukuda, S.Nomura: "Structural and Electrical Properties of Crystalline (1-χ) Ta_2O_5-χTiO_2 Thin Films Fabricated by Metalorganic Decomposition"Applied Surface Science. 190. 88-95 (2002)
• [Publications] K.M.A.Salam, H.Fukuda, S.Nomura: "Effects of Additive Elements on Improvement of the Dielectric Properties of Ta_2O_5 Films"Journal of Applied Physics. 93・2. 1169-1175 (2003)
• [Publications] H.Fukuda, S.Maeda, K.M.A.Salam, S.Nomura: "Synthesis of High Dielectric Constant Titanium Oxide Thin Films by Metalorganic Decomposition"Jpn. Journal of Applied Physics. 41・11B. 6912-6915 (2002)
• [Publications] K.Kimura, K.M.A.Salam, H.Fukuda, S.Nomura: "Structure Control of Ferroelectric PbTiO_3 Thin Films using SrTiO_3 Buffer Layer Prepared by Metalorganic Decomposition"Meeting Abstracts of 2002 Int. Joint Conf. on the Applications of Ferroelectics. 131 (2002)
• [Publications] 玉置 貴啓, 竹谷 聖克, 福田 永, 野村 滋: "シリコン酸化膜中のゲルマニウム結晶における光学的および電気的特性"平成14年第38回応用物理学会北海道支部、第8回レーザ学会東北・北海道支部合同学術講演会. 18 (2002)
• [Publications] K.M.A.Salam, H.Konishi, H.Fukuda, S.Nomura: "Rapid Thermal Processing for Future Semiconductor Devices"Elsevier. 120 (2003)