2021 Fiscal Year Research-status Report
Theory of gap states at metal/semiconductor interfaces; annihilation mechanism and deformation in electric fields
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20K03815
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
中山 隆史 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (70189075)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 金属/半導体界面 / ギャップ状態 / 第一原理計算 / ショットキーバリア / 金属クラスター / 量子井戸 / pn接合界面 / 酸素空孔 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、第一原理計算に基づき、金属/半導体界面におけるギャップ状態の生成・消滅機構や、電場下でのギャップ状態変形の仕組みを明らかにし、ギャップ状態の新しい理論(物理描像)を構築することである。本年度は、金属/Ge界面、有機半導体中の金属、副構造を持つSi-pn接合界面、金属酸化物中の空孔を対象に、以下の成果を得た。
１．金属/Ge界面でのピニング破れの解明：多くの単純金属/Ge界面ではショットキーバリアが固定される(ピニング)が、一部のBi/Ge界面等ではピニングが破れる。前年度の成果を様々な金属種に拡張し、その起源を調べた。その結果、Al, Au, Pt, Yでは金属の波動関数がGe層に侵入しピニングが起きるが、Bi, Pb,Inでは界面にGe-Geダイマー結合ができ侵入が減りピニングが破れること、破れの原因は金属の原子半径が大きく界面での金属電子密度の低いことを解明した。
２．ペンタセン分子固体中の金属クラスター形成の検討：金属・分子間の結合が強い電気陰性度の小さい金属種では金属原子は分散して存在するが、陰性度が大きくなると結合が共有結合に変わり、金属クラスターが発生することを明らかにした。
３．量子井戸を持つSi-pn接合界面でのトンネル電流特性の解明：SiGe井戸をSi-pn接合に埋め込み、人為的に共鳴ギャップ準位を作成し、電場下でのトンネル電流を調べた。その結果、井戸内の共鳴準位はp-Siの価電子帯と混成して電流を増加させるが、井戸は電場下でn-Siの伝導帯も変調して電流を増大させることを解明した。
４．金属酸化物中のギャップ準位の帯電特性の解明：イオン・共有性の異なるY2O3, HfO2, WO3中の代表欠陥の酸素空孔の帯電特性を調べた。その結果、イオン性の強い酸化物ほど帯電下では対称性の良い結晶構造に相変化することを明らかにした。
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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
計画していた共有・イオン性の異なる界面（様々な金属／Ge界面、有機半導体中の様々な金属種クラスター、様々な量子井戸を持つpn接合界面、様々な金属酸化物）におけるギャップ状態の特性（ショットキーバリア、金属クラスターの形態、井戸内の共鳴ギャップ状態、酸素空孔準位の電場下での帯電特性）の研究、特にそれぞれの界面における共有・イオン性の役割の解明がおおむね終了した。また、電場下での容易な第一原理計算手法を開発し、次年度に酸化物に対する計算を展開可能となり、統一的なモデル理論（物理描像）の構築を目指す基盤が整ったため。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、これまでの研究を以下のように発展させ、目的とする統一的な物理描像を構築する。
１．電場下のギャップ準位による極性反転機構の解明：前年度に調べた金属酸化物であるHfO2には直方晶の強誘電相があり、外部電場によって極性が反転することが知られている。酸素空孔がつくるギャップ準位は電場印加により状態を大きく変えるため、酸素空孔が実験で見られている極性反転電場の低減に大きく寄与していることが期待される。そこで、電場下の第一原理計算を用いて、極性反転におけるギャップ状態の役割を、エネルギーや局所状態密度の観点から解明する。特に、HfO2膜の膜方位・膜厚依存性や基板界面依存性を調べ、ギャップ状態の電場下での変形を、電場と飛び移りenergy(共有性)やオンサイトenergy(イオン性)等を用いた簡単なモデル描像で捉えることを目指す。
２．電場下の界面におけるギャップ状態の帯電効果の解明：半導体pn界面における欠陥準位はギャップ状態をつくる。特に深い準位は、トンネル電流が流れる途中で正負に帯電してトンネル電流の大きさに桁のオーダーで変化を生むことが期待される。そこで、これまで開発してきた第一原理計算に基づく非平衡Green関数法と、非平衡時における平均場近似を用いて、ギャップ状態の帯電がトンネル電流の与える効果を解明する。特に欠陥種を変え、ギャップ状態のエネルギー位置・空間位置依存性を明らかにする。
得られた結果は随時、学会やSSDM等の半導体系の国際会議において発表すると共に、論文誌で公表する。
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| Causes of Carryover |
本年度もコロナ禍であったため、予定していた国際会議等への出張旅費の分は、より大規模で多量の計算をして研究を進めるために、九州大学や名古屋大学の計算機利用費（その他の経費に相当。約49万円）にあてた。これにより、ほぼ計画していた研究は達成され、予定していた金額も使われた。一部の金額(1万円以下)が残ったのは、主に研究補助を依頼した大学院生の雇用時間(謝金)が都合により少なくなったためである。
次年度の研究費(約80万円)は、コロナ禍を鑑み、研究が十分進展して達成されるように、主に九州大学の計算機利用費に用いる(約58万円を予定)。また、計算結果の解析を依頼するための謝金（約10万円を予定）、研究成果を発表するための論文投稿料にも使用する（約12万円を予定）。
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[Patent(Industrial Property Rights)] 半導体素子、半導体集積回路及び半導体素子の製造方法2021
Inventor(s)
加藤, 森, 飯塚, 中山隆史, 趙, 加藤
Industrial Property Rights Holder
加藤, 森, 飯塚, 中山隆史, 趙, 加藤
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
特願2021－063816
