2016 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of analysis of single nanowire by atom probe tomography in combination with transmission electron microscopy
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15H05413
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ３次元アトムプローブ / 透過電子顕微鏡 / ナノワイヤ / 量子構造 / 半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
将来実用的な半導体量子デバイス構造の候補としてナノワイヤ素子が注目されている。この素子において、不純物添加時に導入される結晶欠陥が電気的特性に与える影響を理解するためには、ドーパントと欠陥の空間的な位置関係を明確にする必要がある。
本研究では、最新のナノワイヤ構造に着目し、原子レベルの位置分解能で元素の実空間分布を得る３次元アトムプローブと透過電子顕微鏡を同一の試料に適用して、ドーパント－欠陥の位置関係をサブナノスケールで明らかにするとともに、予め得た電気的特性との因果関係を明らかにすることを目的とする。これにより単一ナノワイヤ中のドーパント－欠陥－電気的特性の三者の関係を明確にすることができ、ドーパント位置制御に繋がる重要な知見や指導原理を得ようとするものである。
本年度は、３次元アトムプローブ測定に適したサイズのゲルマニウム－ホウ素添加シリコン（開発段階のコア－シェル構造）のナノワイヤを対象に、この単一のナノワイヤを集束イオンビーム装置のマニピュレータを用いて１本ずつ拾い上げ、効率良く３次元アトムプローブ測定試料台に設置する手法を確立した。最適な３次元アトムプローブ測定条件を見出し、ナノワイヤを構成するシリコン・ゲルマニウム・添加ホウ素の実空間分布を得た。平成２７年度に導入した残留ガス分析装置を用いて、３次元アトムプローブ測定中に分析チャンバー内に残留するバックグラウンドノイズの精度良く定量化し、微量ドーパントの感度向上を図った。これまでの成果はNanoscale誌に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、単一に電気的特性評価したナノワイヤに対して、３次元アトムプローブ法と透過電子顕微鏡観察を適用し、ドーパント－欠陥－電気的特性の三者の関係を明確にする。ここでは現在開発段階のゲルマニウム－ホウ素添加シリコン系のコア－シェル構造を持つナノワイヤに着目した。平成２７－２８年度に、研究支援としてナノワイヤの育成や専門知識を持つ深田直樹博士（（国研）物質・材料研究機構）、固体材料中のナノ組織解析技術のノウハウを持つ永井康介教授と井上耕治准教授（東北大学金属材料研究所）、多量の３次元データ取得においては大学院生の協力を得る体制を整えており、具体的に以下の２点に焦点を当てて実験を推進できた。
１）３次元アトムプローブ用の試料準備および測定の最適化
平成２７年度に予備的な結果を得たが、統計精度を上げるためのデータ取得までは至っていない。さらに継続して、集束イオンビームを用いた試料準備方法の最適化、透過電子顕微鏡による３次元結晶欠陥分布観察のための測定条件の最適化、３次元アトムプローブ測定の最適化を並行して実施し、特定のナノワイヤ素子から歩留まり良くドーパント分布を得た。また、３次元アトムプローブ装置に導入した残留ガス分析装置を用いて、残留するバックグラウンドノイズを精度良く定量化し、微量ドーパントの感度向上を図った。
２）結晶欠陥とドーパント分布の相互作用の解明
ここまで得られたデータを鑑み、局所的な結晶欠陥と微量ドーパント分布の位置関係を明確にする方法を確立しつつある。平成２８年度の段階で成果をまとめることができ、Nanoscale誌への掲載に至った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題で最も重要な点は、単一のナノワイヤ（ここでは開発中のゲルマニウム－ホウ素添加シリコン系のコア－シェル構造に着目）に対して、ドーパント－欠陥－電気的特性の三者の関係を明確にすることである。これまで、３次元アトムプローブ法を用いて、ナノワイヤを構成元素の実空間分布を得てドーパントの挙動を明らかにしてきた。最終年度（平成２９年度）は、具体的に以下の２点に焦点を当てて実験を推進する。
１）３次元アトムプローブ用の試料準備および測定［平成２８年度より継続］
集束イオンビームを用いた試料準備、透過電子顕微鏡による結晶欠陥分布観察、３次元アトムプローブ測定および詳細な解析を実施する。平成２８年度までに予備的な結果を得ることができたが、さらに統計精度を上げるためのデータ取得を目指し、特定のナノワイヤ素子から歩留まり良くドーパント分布を得る。また、３次元アトムプローブ装置に搭載した残留ガス分析装置（平成２７年度に購入）を用いて、残留するバックグラウンドノイズを精度良く定量化し、微量ドーパントの感度向上を図る。
２）結晶欠陥とドーパント分布の相互作用の解明
ここまで得られたデータの解析結果を鑑み、個々のナノワイヤ素子に対応する局所的な結晶欠陥（転位・双晶界面など）と微量ドーパント分布の位置関係を明確にして、その相互作用を明らかにする。そして、単一のナノワイヤに対して３次元アトムプローブと透過電子顕微鏡を適用してドーパントと欠陥分布を直接対応させる新しい実験体系を構築する。一定の成果が得られた段階で結果を取りまとめ、外部発表を行う予定である。
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[Journal Article] Impact of local atomic stress on oxygen segregation at tilt boundaries in silicon2017
Author(s)
Y. Ohno, K. Inoue, K. Fujiwara, K. Kutsukake, M. Deura, I. Yonenaga, N. Ebisawa, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nagai, H. Yoshida, S. Takeda, S. Tanaka, and M. Kohyama
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 110
Pages: 062105/1-5
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Quantitative analysis of hydrogen in SiO2/SiN/SiO2 stacks using atom probe tomography2016
Author(s)
Y. Kunimune, Y. Shimada, Y. Sakurai, M. Inoue, A. Nishida, B. Han, Y. Tu, H. Takamizawa, Y. Shimizu, K. Inoue, F. Yano, Y. Nagai, T. Katayama, and T. Ide
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Journal Title
AIP Advances
Volume: 6
Pages: 045121/1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Recombination activity of nickel, copper, and oxygen atoms segregating at grain boundaries in mono-like silicon crystals2016
Author(s)
Y. Ohno, K. Kutsukake, M. Deura, I. Yonenaga, Y. Shimizu, N. Ebisawa, K. Inoue, Y. Nagai, H. Yoshida, and S. Takeda
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 109
Pages: 142105/1-4
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Hydrogen distribution analysis in Al2O3 films by atom probe tomography2016
Author(s)
Y. Shimizu, B. Han, Y. Tu, K. Inoue, F. Yano, M. Inoue, Y. Kunimune, Y. Shimada, T. Katayama, T. Ide, and Y. Nagai
Organizer
2016 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
Place of Presentation
ボストン、米国
Year and Date
2016-11-27 – 2016-12-02
Int'l Joint Research
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