| 研究課題/領域番号 |
22K04926
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
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| 研究機関 | 奈良先端科学技術大学院大学 |
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研究代表者 |
武田 さくら 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (30314537)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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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 |
2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
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| キーワード | 空間電荷層 / 電子状態 / p型反転層 / 角度分解光電子分光 / カソードルミネッセンス / 発光分光 / Si(111) / Si(001) / 光電子分光 / 量子化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
IV族半導体の表面・界面から10 nm程度の表面直下領域に存在する電子は、表面ポテンシャルや侵入ポテンシャルの影響を受け、半導体内部とは異なる状態を持つ。本研究では表面直下領域の電子の状態を角度分解光電子分光と電子励起発光（カソードルミネッセンス）を用いて包括的に解明する。これにより、IV族半導体の表面直下の電子状態に関する物理モデルを構築し、デバイス動作予測に有用な指針を確立する。
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| 研究実績の概要 |
空間電荷層を形成する10nm程度の厚さの半導体表面直下領域は電界効果トランジスタの要であり、また低次元電子系を研究する舞台として重要である。反転層内の電子状態は、第一原理計算で取り扱うことが極めて困難であり、これまで近似的に計算する手法はあったものの、精密な電子状態は明らかでなかった。本課題では、上述のようにこれまで未開拓の領域であった半導体表面直下領域に着目し、この領域に存在する特殊な電子状態を実験的に明らかにし、精密なモデルを構築することを目的とした研究を行っている。初年度は、これまでに手掛けてきたSi(111)表面直下p型反転層に加え、Si(001)表面直下p型反転層についても、角度分解光電子分光で得られた価電子バンド分散の量子準位を満たす反転層ポテンシャルの探索を通じ、表面直下でバンド湾曲が平坦になっていることを見出した。これは、Si(111)同様、表面直下に価電子の量子化によって胃生じる負電荷蓄積のためとして説明することが可能であり、ナノ構造では価電子内のキャリアをホール描像で捉えることができないことを示している。この成果をもとに本研究結果を取り入れた空間電荷層の電子状態の新しいモデル構築を行うことが可能となると考えられる。また、本課題が目的の一つに掲げる、伝導帯の情報を得るための電子励起発光分光については、まず試料とレンズの位置調整をシリコンの高温発光検出を通じて行う手法を確立した。得られた実験結果から、通説として知られてきたシリコン通電加熱に用いる電流と、シリコン温度が両対数グラフで直線となる関係が、350℃の低温領域まで適応されることを見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本課題では、これまでに明らかにしてきたSi(111)p型反転層に加え、Si(001)p型反転層についても、観測された量子準位から反転層形状を得ることに成功した。その結果、表面直下での反転層形状の平坦化がSi(111)p型反転層だけでなく、Si(001)p型反転層でも生じていることを明らかにした。これは、反転層形状の平坦化が結晶面方位に依存せず普遍的に生じる現象であるという本課題着想当初の予想と矛盾しない結果であり、本課題は想定通りおおむね順調に進展している。また発光分光については、足掛かりとなるシリコンでの高温発光のデータを得ることを達成していることから、おおよそ順調に進んでいると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本課題では、未開拓の領域である半導体表面直下領域の特殊な電子状態を実験的に明らかにし、精密なモデルを構築することを目的とした研究を行っている。目的到達手段として、①実測量子準位から量子井戸（反転層形状）を導出する手法や、②発光分光等による伝導帯信号検出など、様々な実験及び解析の新手法確立が必要となる。まず①については、情報科学などを導入し、探索範囲の拡大、許容される反転層形状の同定などを行うことで、実測量子準位から量子井戸（反転層形状）を導出する手法の確立を目指す。②については、発光分光や2光子光電子分光など様々な手法を用いてシリコンの伝導帯バンドの検出を目指す。
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