2019 Fiscal Year Annual Research Report
ゲルマネン電界効果トランジスタの動作実証とプロセスの構築
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17H02788
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
久保 理 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70370301)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田畑 博史 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00462705)
中山 知信 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 副拠点長 (30354343)
片山 光浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70185817)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ゲルマネン / ゲルマナン / トランジスタ / 層状材料 / イオン散乱 / 電気伝導 / 光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ゲルマニウム（Ge）のシート構造であるゲルマネンは、グラフェンに匹敵する高キャリア移動度を持ち、バンドギャップが電界によって変調できるなど、グラフェンとは異なる物性が予測されている。
本年度は、昨年度から取り組んでいる Al(111)基板上に 3x3周期で形成されるゲルマネンの構造、および電子構造の解析を行った。この系は既に５件以上の報告例があり、いずれもGeの六員環４つが単位胞となっている構造を報告していた。しかし、我々は低速イオン散乱分光法で構造を直接的に調べることで、この構造が９個のGe原子がほぼ平坦に配列し、その上に一つのGeアドアトムが存在する構造であることをつきとめた。
一方、昨年度より始めた、ゲルマネンを水素やアルキル基で終端した材料・ゲルマナンの研究も進めた。ゲルマナンは結晶ゲルマニウムと異なり直接バンドギャップを持ち、移動度も高いことが予測されている。しかし、これまでのところ報告されている移動度は200 cm^2/Vs 程度で結晶Siにも劣るため、移動度の向上が求められている。今年度はゲルマナン薄膜に、ソース、ドレイン電極として設置する金属の種類を変えたときの電界効果トランジスタ（FET）特性への影響を調べた。金属には仕事関数の低い方から、Al、Ti、Ni、Pd の各金属を用いた。TiやAlはゲルマナンの仕事関数よりも低いため、本来ならp型の特性を示すと予想されたが、いずれの場合にもn型のFET特性を示した。EDX測定による検証の結果、ゲルマナンを得る際の原材料であるCaGe2に含まれるCaが残留していることが示唆された。また、電子移動度は仕事関数の大きい金属の方が高いことがわかった。第一原理計算の結果、ゲルマナンとPd、Niの界面では水素が金属側に移動してGeと金属の結合距離が短くなることが示唆され、これが界面抵抗の減少につながったものと考えられる。
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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
前年まで検討していた非導電性基板上に大面積のゲルマネンを作製する件については、方法自体の見直しが必要となった。最近、結晶表面上に極薄絶縁層を介してエピタキシャル成長させる技術が報告されており、これを進めているところである。一方で、水素やアルキル基で終端した材料・ゲルマナンの作製技術はほぼ確立しており、SiO2/Si 基板上での電界効果トランジスタ（FET）特性計測もコンスタントに行えるようになった。金属電極種によるFET特性への影響については現在投稿論文の準備中である。
また、ゲルマナンは水素を脱離させてゲルマネンに変質させられることが示唆されているため、その準備が整ったと言える。また、非導電性基板ではないものの、Al(111)基板上のゲルマネンについては、従来の報告では明らかにできなかった構造と電子状態を解明できた。この内容は、現在投稿論文の準備中であり、当初の目標以上に進んだ面もある。
以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで非導電性基板として、金属カルコゲナイド基板上へゲルマニウム（Ge）原子のエピタキシャル成長を試みてきたが、未だ大面積の膜の形成に至っていない。一方、2年目の途中から、水素やアルキル基で終端した材料・ゲルマナンの作成に取り組んでおり、既にその電界効果トランジスタ（FET）特性の評価を日常的に行うに至っている。これまでのところ移動度は200 cm^2/Vs 程度に留まっているが、理論値である16,000 cm^2/Vs に向けて、高品質化や電極形成技術の向上を進める。さらに水素終端したゲルマナンから水素を脱離させることでゲルマネンを作製できることが理論的に示唆されていることから、これを真空中で絶縁基板上に作成し、電気伝導測定を行う。
一方、最近では黒リンなどⅣ族元素シート以外の原子層材料でも、ゲルマネンのようにゲート電界によってバンドギャップ自身が変化することが示唆されている。また、温度変化による金属‐絶縁体転移を起こすとされてきた二酸化バナジウムも電界により金属―絶縁体転移を起こすことが報告されている。そこで、これらの材料に対し、多探針走査プローブ顕微鏡を用いて、一つのグレインにおけるFET測定を行うことで、スイッチング速度の検証を行う。
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