2022 Fiscal Year Annual Research 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 / 原子拡散侵入 / pn接合界面 / トンネル電流 / 極性反転 |
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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。最終年度は、強誘電相の極性反転におけるギャップ状態の働き(以下の4)を研究した。事業期間全体を通し得られた成果は以下のとおりである。
１．金属/Ge界面におけるギャップ状態消滅機構の解明：多くの単純金属/Ge界面ではギャップ状態がGe層内に深く侵入しショットキーバリアが固定される(ピニング)が、Bi, Pb, In等の界面ではピニングが破れる。その原因は、これら金属原子は原子半径が大きく電子密度が低いためGe原子と結合を作らず、界面のGe層は表面類似のGe原子ダイマーを作りギャップ状態を消滅させるためである。
２．金属/有機半導体界面における金属原子挙動の解明：Al等の電気陰性度の小さい金属原子は、π結合有機半導体と強いイオン結合を作り半導体内に分散して侵入するため、ギャップ状態を形成しやすいことを解明し実験結果を説明した。
３．半導体pn接合のギャップ状態とトンネル電流の関係：(1)界面の1軸的対称性破れを反映して、界面でギャップ状態となる不純物原子の軌道は選択されること、(2)N不純物は、間接ギャップ半導体においてはギャップ状態を発生させ電場下で伝導帯と共鳴するためトンネル電流を増大させるが、直接ギャップ半導体では伝導帯内に埋没するためトンネル電流を変化させないこと、(3)接合内に量子井戸を形成すると、バンドギャップが空間的に変化しギャップ状態の局在長が大きく変化すること等を解明した。
４．ギャップ状態による強誘電相反転の解明：強誘電相内の酸素空孔起源のギャップ状態は、空孔周りでの原子変位を容易化し、高対称性の結晶構造を介して極性反転の核となること等を解明した。
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