2021 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 / ナノワイヤ / フォノン散乱 / 界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は主に、1)シリコンナノ構造界面におけるフォノン散乱の変調と2)金属系材料の抵抗率計算で進展があった。
1)シリコンナノ構造界面におけるフォノン散乱の変調については、昨年度まで実施していた分子動力学計算・強結合近似計算・量子輸送計算を連携した手法を用いて移動度の温度依存性を計算した。その結果、酸化膜で被覆されたシリコンナノワイヤ中の電子移動度の方が、水素終端シリコンナノワイヤ中の電子移動度よりも強い温度依存性を持つことを明らかにした。これは、昨年度までで判明した酸化膜被覆シリコンナノワイヤにおける電子移動度の劣化が、界面ラフネス由来ではなくフォノン散乱の変調であることを示唆している。一方で、ゲルマニウムナノワイヤに対して同様の計算を実施した場合は、酸化膜の有無は顕著な移動度変化を発生させなかった。これはシリコンとゲルマニウムの機械的特性の違いに起因していると予想されるため、今後検証を行う。
2)金属系材料の抵抗率計算では、本研究で開発した手法が別種の材料系でも適用可能かを検討した。白金ナノシートでは、表面に吸着した水素と酸素の量に依存して電気抵抗が変化するため、水素ガスセンサとして用いられる。しかし、フォノン散乱と吸着ガスによる散乱が共存する系を定量的に解析することは困難であった。本研究では、反応力場に基づく分子動力学計算・密度半関数計算・量子輸送計算を連携することで、半導体ナノ構造と同様にキャリア散乱を取り扱うことに成功した。
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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
本年度において、酸化膜で被覆されたシリコンナノワイヤ中の電子移動度の低下が、界面ラフネスではなく界面によるフォノン散乱の変調であることを示唆する結果が得られた。さらに、シリコンとゲルマニウムで酸化膜界面がフォノン散乱に与える影響が異なることについても示唆されている。また、本研究で用いた手法は金属ナノ構造中の輸送にも適用可能であることが示された。特に、シリコン・ゲルマニウムなどの半導体材料において、材料選択によって界面におけるフォノン散乱の変調効果を制御できる可能性が示されていることから，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 |
本研究で用いた手法により、半導体ナノ構造における酸化膜界面がフォノン散乱に与える影響の解析は順調に進んでいることから、今後はさらにナノ構造・酸化膜両方の材料を変化させ、酸化膜界面におけるフォノン散乱の変調効果制御に向けた指針の構築を目指す。現在の分子動力学計算で酸化膜/半導体界面を表現できる力場が限られていることから、材料を変化させた計算では力場の構築と合わせて研究を実施し、界面による移動度の変化を解析する。
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