2022 Fiscal Year Annual Research Report

Piezoresistance Effects of p-type Ge

Research Project

Project/Area Number	19K04478
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	松田和典大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい教授 (10192337)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	長岡史郎香川高等専門学校, 電子システム工学科, 教授 (30300635) 筒井一生東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60188589)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ゲルマニウム / ピエゾ抵抗効果 / 水素ラジカル / 欠陥準位 / ノンドープ / 空孔 / 荷電状態 / 抵抗の温度特性
Outline of Annual Research Achievements	本研究ではp型Ge結晶に一軸性応力を負荷しピエゾ抵抗係数の結晶方向依存性や温度特性を詳しく調べた．このためにまず測定システムの改良を行い，－60～150℃の温度範囲で，抵抗変化率0.1％の精度の測定を可能にした．結果は作製法にも依るため2社のGeを使用した．その結果，長年の未解決の問題であった<100>方向の異常な負の値を検証することができた．理論モデルとも比較し，この異常な係数にはこれまで知られていなかった要因が関係していると判断した．ピエゾ抵抗係数は不純物濃度と温度に依存する．そこで，ノンドープGeに手がかりがあると考え，ピエゾ抵抗係数との関係を調べるように当初計画を変更した．その結果，ノンドープGeは<100>方向だけでなく<110>方向の係数も室温で負となり，零度以下で正に変わることが分かった．このことは，多数キャリアが温度の低下とともに電子からホールへと変わったことを示している．抵抗の温度依存性でも同様の２つのキャリアによる傾向が現れた．この実験結果を鑑み，結晶内の欠陥がピエゾ抵抗係数に特性に現れている可能性があると予想した．そこで，R4年度は現有の装置で水素ラジカルによるアニールを試みた．従来，水素アニールは界面のダングリングボンドの不活性化に使用されてきた．その結果，水素アニール処理後のノンドープGeはピエゾ抵抗係数がどの温度でも負から正へとドラスチックに変化した．室温のホール効果測定でも多数キャリアがホールに変わっていることが確認され，抵抗の温度依存性にもｐ型と同じ飽和温度領域が見られた．この実験結果は，最近のJ.R.Weber等が報告しているGeの空孔の形成エネルギーに関する第一原理計算で，空孔の荷電状態や欠陥準位がフェル時準位(温度)とともに変わる現象と考えられる．空孔と異常なピエゾ抵抗係数との関連については，詳細は不明であり，今後の解明が期待される．