2019 Fiscal Year Research-status Report
半導体表面/界面における特異な電子フォノン散乱の起源の解明
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19K15050
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田中 貴久 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (30782081)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | シリコン / 表面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は主に，分子動力学法から得られた原子位置に基づく電気特性の評価に関して進展があった．局所的な界面近傍のフォノン散乱が電気特性に与える効果を評価するためには，フォノンによる原子変位を電気特性の計算に直接取り込む必要がある．提案する手法のテストケースとして，トランジスタ表面に修飾された分子と気相の吸着分子が半導体層に与える電気的な影響を解析した．
まず，オープンソースの分子動力学ソフトから出力された原子の軌跡および電荷を取り込み，有限要素法によるポアソン方程式ソルバへの入力ファイルに変換するプログラムを作成した．分子動力学ソフトとポアソン方程式ソルバを組み合わせたシミュレーションの結果から，表面の修飾分子と吸着分子間の相互作用だけでなく，複数の吸着分子間の相互作用が半導体層の電気特性を大きく変化させることを見出した．シミュレーションから得られた半導体層の電気特性の変化は，過去に他グループから報告されていた実験的な電気特性の変化と傾向が一致しており，本研究で提案する手法の妥当性を示している．また，実験結果を再現するためには，従来連続的なモデルとして扱われてきた表面と半導体層の相互作用を原子スケールから評価する必要性が示された．そこで，表面・界面近傍のフォノン散乱についても同様に分子動力学法と電気特性の計算を連成した解析によって評価を行っている．電子デバイスの基幹材料であるシリコン中のフォノン散乱を考慮した電気特性の計算については，バンド構造を正確に表現するために分子動力学法と強結合近似法を組み合わせた解析を開始した．
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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，初年度に提案する計算手法の妥当性を明らかにした．さらに，テストケースとして解析したトランジスタ表面に修飾された分子と吸着分子が半導体層に与える電気特性の変化では，原子スケールでの相互作用が重要であることを見出した．既にフォノン散乱を解析するための分子動力学法と強結合近似法を組み合わせた計算のフレームワークも完成した．最終目標である半導体表面・界面近傍での特異なフォノン散乱の起源の解析も開始している．以上のように，研究初年度で研究の妥当性だけでなくナノスケールデバイスにおける本研究の重要性も明らかにしていることから，おおむね計画通りに研究が進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目となる2020年度は，多くの実験データが報告されてきたシリコン(100)面の電子伝導に対して酸化膜界面におけるフォノン散乱の増強効果を解析する．一方で，現在のシリコンデバイスでは微細化とともに(110)面に起因する電気伝導が用いられるようになってきた．また，ゲルマニウムなどの次世代材料では(111)面の輸送も着目されている．そこで，任意の面方位の解析を行えるように，強結合近似法のプログラムの改良をすすめる．また，実験的な評価についても非弾性トンネル分光法の測定系を構築し，実験と計算を対比できる環境を構築する．
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