2015 Fiscal Year Annual Research Report
コアシェルヘテロ接合ナノワイヤへの位置制御ドーピングによるキャリア輸送制御
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26246021
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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, グループリーダー (90302207)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, グループリーダー (50354147)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノワイヤ / ヘテロ構造 / シリコン / ゲルマニウム / ドーピング / トランジスタ / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、京などの超並列計算機を利用した大規模第一原理計算による知見を活かして、次世代高移動度トランジスタ用チャネルを実現することが目的である。
具体的には、SiとGeのコアシェルナノワイヤ構造を利用することで、不純物のドーピング領域とキャリアの輸送領域を完全に分離し、不純物散乱を抑制できるチャネルを実現する。これまでに、４タイプの異なる（n-Ge/i (intrinsic)-Si、p-Si/i-Ge、i-Ge/p-Si、i-Si/n-Ge）コアシェルナノワイヤを超高真空化学気相堆積（CVD）装置により成長し、その成長およびドーピング条件の最適化を行うことで、コアシェルナノワイヤの構造制御と位置制御ドーピングを実現できた。コアドーピングに関しては、PドープGeナノワイヤは300℃、BドープSiナノワイヤは400－500℃で成長条件を最適化した。シェルドーピングの最適条件は、n-Ge層は500℃で、p-Si層は700℃であった。更に、i-Ge/p-Siコアシェルナノワイヤにおいて、実験的に初めてi-Ge層内にホールガスが形成されていることの完全な検出および実証を達成できた。本成果は、高電子移動度トランジスタ（HEMT）の構造を1次元のコアシェルナノワイヤ内部に確かに構築できたことを示しており、不純物のドーピング領域とキャリアの輸送領域を完全に分離し、不純物散乱を抑制できるチャネル実現の第一歩といえる。
理論パートからは、開発を行なっているオーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを用いてSi/GeおよびGe/Siコアシェルナノワイヤの大規模第一原理計算を行なった。これまでに、コアシェルナノワイヤ内の原子数が約4千-3万原子を含んだ系までの大規模第一原理計算を実現できている。更に、コアシェル内部の応力の状態および内部の電子状態に関しての興味深い新しい知見を得ている。
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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
現在までに、実験および理論両面において、当初の研究計画書に記載したほぼ全ての内容を達成できている。研究実績概要にも記載したように、実験のパートに関しては、1）４タイプの異なる（n-Ge/i-Si、p-Si/i-Ge、i-Ge/p-Si、i-Si/n-Ge）コアシェルナノワイヤの構造制御、2）コアシェルナノワイヤ中のコア/シェル層それぞれへの位置制御ドーピング、3）i-Ge/p-Siコアシェルナノワイヤにおいて、実験的に初めてi-Ge層内にホールガスが形成されていることの完全な検出および実証までできている。特に3）の結果は高電子移動度トランジスタ（HEMT）の構造を1次元のコアシェルナノワイヤ内部に確かに構築できたことを示す初めての実験結果であり、本基盤研究Aでの重要な目標の1つを既に達成できたといえる。
一方、理論のパートに関しては、1）オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを利用し、Si/GeおよびGe/Siコアシェルナノワイヤ構造（約4千～3万原子系）に対する構造最適化計算に成功し、2）Si/GeおよびGe/Siコアシェルナノワイヤ内部の応力分布の計算およびは応力分布の表面構造依存性について明らかにすることに成功している。更に、3）Si/GeおよびGe/Siコアシェルナノワイヤ内部の電子状態に関する計算も実施し、内部の電子状態に関しての興味深い新しい知見を得ている。これらは、オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを利用したナノワイヤ系での初めての成果であり、世界最大規模の第一原理算によって初めて可能になった研究といえる。また、ナノワイヤ表面に形成される酸化膜の効果に関しても知見を得ることは将来のデバイス応用を考えると重要である。そこで、Siナノワイヤの表面酸化膜の計算に関して、古典分子動力学計算を用いて構造モデリングまで行なえている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究計画としては、コアシェルナノワイヤの界面におけるSi/Geの相互拡散およびドーパント不純物原子の外方拡散について詳細に調べる。コアシェルナノワイヤを利用したHEMTタイプのチャネルの実現には界面の急峻性と不純物のコア/シェルそれぞれの領域への選択ドーピング制御が重要となる。これまでに、透過型電子顕微鏡（TEM）観察およびエネルギー分散型蛍光X線分析（EDX）による組成分析により、界面ミキシングの可能性について調べており、TEMおよびEDXのレベルでは問題のないレベルであった。今後は、アトムプローブ法を利用して、コアシェル構造内部の元素の3次元分布を調べ、界面のミキシングに関して詳細に調べる予定である。このアトムプローブ法を利用すれば、ドーパント不純物原子の3次元分布も観測できるため、ドーパント不純物の外方拡散の可能性についても調べる。最終的には簡単なデバイス素子を形成し、コアシェルナノワイヤの電気的特性を評価し、コアシェル構造の優位性を実証する。
理論計算に関しては、実験結果を参考にしながら、複数のコアシェルナノワイヤ構造のモデルを作成し、応力分布と電子状態に対して、半径・構成比依存性や界面構造依存性を詳細に調べる。さらに、これらの構造モデルに対してSi中にB、Ge中にPを導入した時の安定構造と全エネルギーを計算する。コアシェル構造ではSiとGeの格子の違いだけでなく、コアシェル境界やシェル/酸化膜境界の界面構造の影響が大きい。従って、歪みの度合いが場所によって変わり、不純物の熱力学的安定性は場所によって大きく変わると予想される。また、これらの不純物ドーピングによってホールまたは電子がナノワイヤのどこに供給されるかを明らかにする。
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