研究課題/領域番号 |
21K04158
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研究種目 |
基盤研究(C)
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配分区分 | 基金 |
応募区分 | 一般 |
審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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研究機関 | 東京理科大学 |
研究代表者 |
遠藤 聡 東京理科大学, 先進工学部電子システム工学科, 客員教授 (60417110)
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研究分担者 |
藤代 博記 東京理科大学, 先進工学部電子システム工学科, 教授 (60339132)
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研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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キーワード | InAsSb / 量子井戸構造 / 分子線エピタキシー法 / 電子移動度 / モンテカルロ計算 / 遮断周波数 / バンド計算 / VASP / 半導体 / シミュレーション |
研究開始時の研究の概要 |
テラヘルツ帯で動作する高電子移動度トランジスタに用いる半導体量子井戸構造として、チャネル層にInAsSb、バリア層にAlInSbを用いる。この系においては、伝導帯エネルギー不連続が大きく電子を井戸中に溜めやすい。更にInAsSbチャネル層においては、電子の有効質量がⅢ-Ⅴ族化合物半導体において最軽量になる可能性がある。そのため、この構造においては電子移動度、電子速度がⅢ-Ⅴ族化合物半導体中で最高になる可能性がある。 本研究においては、高電子移動度・高電子濃度を有するAlInSb/InAsSb格子整合系量子井戸構造結晶を、シミュレーションと実験を併用し相互にフィードバックをかける手法で実現する。
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研究実績の概要 |
InAsSbをチャネル層に用いた量子井戸構造における電子輸送特性の研究を、実験(結晶成長)とシミュレーション(モンテカルロ計算、バンド計算)を併用して進めている。このうち実験に関しては、初年度(2021年度)は分子線エピタキシー装置のAsクラッキングセルの故障により、InAsSbの結晶成長を行うことが出来なかった。 今年度(2022年度)は、修理したAsクラッキングセルを用いてバルクInAsSbのⅤ属元素の組成制御を試みた。電子のΓバレーにおける有効質量が最も軽く、エネルギーバンドギャップが最も小さくなるAs組成0.35を目標値とし、As蒸気圧や成長温度を変化させてバルクInAsSb結晶を300 nm成長した。その結果、Ⅴ族元素比(Sb/As)が約2でAs組成0.35を達成した。現時点では、ノンドープの条件で電子移動度は約7,000 cm2/Vs、電子濃度は約2e17 /cm3となっている。 またモンテカルロ法シミュレーションに関しては、実際に作製する層構造に近づけた場合の計算を行った。ソース、ドレイン、ゲート電極を付けた高電子移動度トランジスタ構造のモンテカルロ計算により、As組成0.3~0.4、ドレイン電圧0.3 Vという低電圧において、遮断周波数fT=2.5 THzという高い値が得られた。InAsSbチャネルHEMTは、界面ラフネス散乱や衝突イオン化頻度が小さい低電圧でも高速化が可能であることが分かった。 更に第一原理バンド計算プログラムVASPにより、混成密度汎関数理論を用いて以前に計算したInAsSbのΓバレーの電子の有効質量を用いて、バルクモンテカルロシミュレーションを行った。この方法では真性遮断周波数の可能性の限界値が求められ、寄生成分が低減できれば数十THzまで高速化が可能であることが明らかになった。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究においては、分子線エピタキシー法を用いてInAsSb量子井戸構造の作製を進めている。初年度(2021年度)に、InAsSb結晶の作製に必要不可欠なAsクラッキングセルが故障したため、InAsSbの結晶成長が全く行えなかった。これが無いと急峻な組成変化を伴う量子井戸構造を作製できない。今年度(2022年度)初めまでにAsクラッキングセルの修理が完了し、InAsSb結晶の作製を行うことが可能になった。しかしながらこの遅れにより、結晶成長の予定が1年程度遅れている。 シミュレーションに関しては、概ね予定通り進んでいる。
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今後の研究の推進方策 |
今年度の成果を踏まえ、バルクInAsSb結晶の高品質化を目指す。次に、量子井戸構造のバリアとして用いるAlInSbとのヘテロ構造を実現し、優れた電子輸送特性を示すInAsSb量子井戸構造を作製する。 シミュレーションに関しては、モデルのより厳密化・現実化を進める。まず、第一原理バンド構造計算の結果をモンテカルロ計算に取り入れる。そして、InAsSbチャネル高電子移動度トランジスタに関するモンテカルロ計算を進め、どの程度の高周波特性が得られるかより厳密に予測し、今後の実験の方向に役立てる。 更に、InAsSb結晶の光学的特性に関しても検討し、InAsSb結晶の光デバイス応用の可能性についても考える。
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