2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of vertical HEMT-type devices using Si-Ge core-shell heterojunction nanowires
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21H04642
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
深田 直樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (90302207)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
J. Wipakorn 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (40748216)
宮崎 剛 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (50354147)
本久 順一 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (60212263)
冨岡 克広 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (60519411)
松村 亮 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 研究員 (90806358)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | ナノワイヤ / シリコン / ゲルマニウム / トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現行の平面型金属・酸化膜・半導体電界効果型トランジスタ（MOSFET）では、微細化した回路素子からのリーク電流による発熱が大きくなるため、従来のスケール則に従った微細化だけでは素子の性能向上に限界が指摘されている。本研究では、IV族半導体Si、Ge、新規高移動度材料として注目されているGeSnから形成される特殊なコアシェルヘテロ接合により高電子移動度型トランジスタ（HEMT）構造を１次元ナノワイヤ内部に形成することで、次世代トランジスタの微細化限界・低消費電力化の課題を解決し、ナノ構造でも不純物散乱のない高移動度デバイスを実現する。
初年度はサイズ・配列制御可能で、大面積での繰り返しパターン形成が容易で時間短縮できるナノインプリント法と反応性イオンエッチング（RIE）法を適用し、i(intrinsic)-Ge/p-Si、逆構造であるp-Si/i-Geおよびp-Si/i-Ge1-xSnxコアシェルナノワイヤ中のコア領域のp-Siおよびi-Geナノワイヤアレイの形成を行った。RIEの条件をSiとGeで最適化することで、直径150nmのi-Geおよびp-Siナノワイヤアレイのサイズ・配列制御に成功した。RIEではナノワイヤ表面にダメージが導入される。そこで、表面ダメージ層を低温オゾン酸化とエッチングで除去し、ナノワイヤ径を高速チャネルのサイズとして利用できる50nmまで縮小化することに成功した。ナノワイヤFET形成のためのプロセスおよび大規模第一原理計算によるコアシェルナノワイヤモデルの構築を行った。
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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
初年度の研究計画としては、コアシェルナノワイヤ中のコア領域のナノワイヤ構造のサイズ・配列制御が第一課題であり、ナノインプリント法とRIE法を組み合わせたトップダウン的手法により、p-Siおよびi-Geナノワイヤアレイの形成制御法を確立できた。また、サイズ・配列制御のためにRIE法を利用した場合、表面にダメージ層が導入され、ナノ構造をデバイス応用した場合に電気的特性に著しく影響する。そこで、ダメージ層を酸化させ、エッチングにより取り除くプロセスを確立した。ナノワイヤFET形成のためのプロセスおよび大規模第一原理計算によるコアシェルナノワイヤモデルの構築の準備も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、コアシェルヘテロ接合の精密形成制御に関する研究を実施する。コアシェルナノワイヤのHEMTデバイス応用を考えると、ヘテロ接合界面の制御が重要である。そこで、①界面相互拡散抑制、②ドーパント不純物の拡散抑制、③シェル層の高い結晶性、④不純物の活性化を満足するシェル形成条件を確立する。コアシェルナノワイヤモデルに対して、Si中の様々なサイトにアクセプタ不純物となるBを導入する。コアシェル構造では、SiとGeの格子の違いだけでなく、界面の影響で歪みの度合いが場所によって変化する。そこで、不純物の熱力学的安定性、拡散エネルギー障壁の場所依存性、界面依存性を大規模第一原理計算により明らかにする。前年度の単一横型ナノワイヤFETのプロセスを結晶学的に表面/界面・結晶性の制御されたコアシェルナノワイヤに適用し、単一横型コアシェルナノワイヤFETを形成し、コアシェル化による性能特性を評価する。
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