2011 Fiscal Year Research-status Report
金属／半導体界面の原子拡散・構造安定性の理論：無機から有機への展開
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23540361
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
中山 隆史 千葉大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70189075)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | 金属/半導体界面 / 原子拡散 / 混晶化 / シリサイド / ショットキーバリア / 有機分子半導体 / イオン結合 / 共有結合 |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、第一原理計算に基づき、金属/無機・有機半導体界面において、界面原子が拡散し混晶･化合物化するメカニズムを系統的に分類・解明し、界面構造安定性の理論を構築することである。特に本年度は、以下の成果を得た。 １．無機半導体界面の研究 (1)界面構造変化の分類：拡散断熱ポテンシャルや電荷分布を解析し、Au/GaN, Au/HfO2等のイオン性界面では、半導体中の強い原子結合と小さい格子定数が原因となり金属原子が拡散侵入できないことが分かった。一方、Au/Si, Al/Si等の界面では、拡散金属原子がSiと結合しSi-Si結合を弱めるため、Siの金属層への侵入が誘起され、金属と半導体の乱雑な混晶化が進行する。他方、Ni/Si、Ti/Si等のd軌道が電子非占有な金属の界面では、金属原子がSiサイトを置換するとSiの価電子がd軌道に移ることで系が安定化するため、シリサイド化合物化が促進されることが明らかになった。このように、無拡散・拡散を分ける主たる起源は半導体のイオン性、乱雑・化合物化を分ける起源は構成原子間の電子移動による安定化にあることを初めて解明した。(2)乱雑界面のバリア解明：金属原子が拡散した界面の電子構造を解析し、乱雑混晶化の場合、正孔のショットキーバリアはSiの不対ボンドを反映して増大することを明らかにした。 ２．有機分子半導体界面の研究 (1)金属原子の拡散形態：代表的なオリゴアセン半導体中の拡散を調べ、Alは分子と強いイオン結合を有するため拡散できないこと、Auは分子と共有結合して拡散し大きい異方性を示すことを明らかにした。(2)界面からの拡散：Au/ポリアセチレン/Au界面での拡散を調べ、バルクAu基板からの拡散バリアは約1eVと大きいが、表面からはバリアレスで侵入しやすいことを明らかにした。これら成果は、実験結果を初めて解明したものである。
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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
計画していた代表的な金属/無機半導体界面の熱拡散による構造変化の分類、及びその起源の解明はほぼ終了した。また、金属/有機半導体界面においても、計画の中心課題である金属原子の拡散形態、構成分子との結合形態が明らかになり、問題なく次年度の計画へと展開する基盤ができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
タイの洪水の影響で、購入する科学技術用計算機内に導入する高信頼性の内蔵HDDの手配に時間がかかり、計算機の納品が少し遅れた。そこで、まずは購入計算機を用いて計画した研究を進めることを優先し、購入計算機の計算環境設定等の作業を後回しにした。このため、計算環境設定を依頼する謝金などの予算約6万円を平成24年度にまわした。 平成24年度は平成23年度の研究をさらに展開して、計画している研究（多様な半導体基板界面での拡散の解明、歪・電場環境下での界面の安定性の研究）を着々と進める。特に、早い時期に計算環境の設定を依頼して、より効率的に研究を進める体制をつくる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究費は、まず平成23年度に購入した大型の科学技術用計算機への入力データの作成、および出力計算結果を図形処理するための小型計算機とソフトウェアの購入に用いる（約50万円を予定)。一方、これら計算機の計算環境の設定（ここに次年度使用額を使う）、および研究成果の解析を依頼するための謝金にも使用する（約21万円を予定）。また、研究成果を発表するための国内外旅費にも使用する（約30万円を予定）。
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Research Products
(13 results)
