2022 Fiscal Year Annual Research Report
シリコントランジスタのゲート制御による電子正孔系の形成と量子凝縮現象の発現
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20H02203
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
堀 匡寛 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (50643269)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小野 行徳 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80374073)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | シリコン / MOSFET / 電子正孔系 / ゲート制御 / 再結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体中で電子と正孔が共存する電子正孔共存系は，励起子，プラズマ，量子凝縮相などの多様な相を形成し，これまで基礎多体系物理の観点から広く調べられてきた．本研究課題では，量子凝縮相をエレクトロニクスに応用することを念頭に，シリコンにおいて量子凝縮相を観測し，これを電気的に制御することを最終目標としている．
これまでに低温下でのシリコントランジスタのゲートパルス制御により，シリコン/シリコン酸化膜界面近傍において電子正孔共存系が形成されていることを確認した．具体的には，負の電圧をゲートに印加して正孔を界面に蓄積させておき(セット)，その後，ゲート電圧を短時間で正方向に切り替えることで(オン)，界面に蓄積した正孔の基板方向への流出を防ぎつつ，ソース/ドレインから電子を流入させて電子正孔共存系を形成する．
本年度は，電子正孔再結合電流の精密計測により，電子と正孔の2層がシリコンの励起子ボーア半径程度(数ナノメートル)の距離で近接していることを明らかにした．具体的には，ゲートパルスのベース，および，振幅電圧をパラメータとして再結合電流を計測し，ゲートと正孔間，および，ゲートと電子間の容量をそれぞれ見積もり，容量値から電子正孔2層間の距離を算出した．また，再結合電流の温度の依存性についても調べ，共存系形成の限界温度が20ケルビン程度であることを示した．さらに，再結合電流のベース電圧依存性で観測された再結合電流の付加成分について解析したところ，シリコン/シリコン酸化膜界面の欠陥準位を介した再結合電流であることが明らかとなった．これにより，電子正孔共存系形成後の再結合成分と界面欠陥準位を介した再結合成分の2成分を区別することが可能となった．上記に加えて，量子凝縮相形成のために低温MOS界面評価にも着手した．具体的には，低温下の界面欠陥準位評価や，界面欠陥の高感度検出の手法開発を行った．
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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
シリコントランジスタの界面近傍における電子正孔共存系の形成技術の確立のために，電子正孔密度のパルスベース/振幅電圧依存性や測定温度依存性などの基礎データを予定通り取り終えることができた．これらの成果は論文としてまとめており，現在投稿中である．また，量子凝縮相の観測のために，低温MOS界面の評価にも着手しており，次年度にその解析を進めていく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，シリコントランジスタの界面近傍で形成される電子正孔共存系の相状態を明らかにするために，再結合時定数を系統的に調べる．具体的には，ゲートパルスの時間幅をナノ秒からマイクロ秒まで変化させて再結合電流を計測し再結合時定数を見積もる．再結合時定数を，電子正孔密度や測定温度をパラメータとして系統的に調べることにより，励起子やプラズマ，量子凝縮などの臨界密度や臨界温度について明らかにする．また，再結合電流の実時間計測技術を用いて，電子正孔共存系形成や消滅の素過程の詳細についても調べる．さらに，今年度に引き続き，低温下におけるMOS界面の欠陥準位評価や界面欠陥の高感度検出技術の確立も行う．
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