量子化材料ネオシリコンの開発と単電子デバイス応用

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11355014
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 小田 俊理 東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 教授 (50126314)
• 研究分担者: 嶋田 寿一 日立製作所, 中央研究所, 企画室長 ; 土屋 良重 東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 助手 (80334506)
• キーワード: ナノ結晶シリコン / パルスプラズマプロセス / シリコン表面 / 微細加工プロセス / 単電子トンネル / 量子ドット相関 / 単電子メモリ / バリスティック伝導

研究概要

1.粒径10nm以下のシリコン量子ドット間の電子トンネル現象に着目した新機能の探索を目指して研究を行った。シリコン量子ドットの微細化を検討するため、パルスプラズマプロセスで形成したナノ結晶の酸素中熱処理による表面酸化の機構を調べた。粒径10nmレベルのナノ結晶では、表面酸化膜のためストレスを発生し酸化速度が低減することを実験的に確認し、量子ドットにおける酸化機構のモデルを導いた。
2.シリコンナノ結晶量子ドットをチャネルとする平面型および縦型微細トランジスタを作製し、クーロンブロッケード現象を観測した。単一量子ドットによる電子輸送と隣接するドット間の相互作用を区別して観測することが出来た。モンテカルロシミュレーションにより単電子トンネル過程をモデル化することが出来た。
3.縦型ラップゲート電極構造を形成して、極微細トランジスタを作製した。チャネルサイズは電子平均自由行程より小さくバリスティック伝導を観測した。磁場を加えることにより伝導特性が変化し、バンド谷とスピン縮退が解ける様子を観測した。
4.シリコンドットをフローティングゲートとする単電子メモリ素子を作製し、パルスバイアス測定によりメモリ保持特性を評価した。帯電効果により、1個の電子の捕獲、放出過程を観測することができた。
5.表面酸化したシリコン量子ドットの積層構造から高効率発光および電子放出を観測し、シリコン量子ドットの形状と微小性に特有な現象であることを確認した。

研究成果

• [文献書誌] 小田俊理: "21世紀の単電子デバイス"電気学会論文誌C. 121-C(1). 19-22 (2001)
• [文献書誌] K.Nishiguchi, S.Oda: "A self-aligned two-gate single-electron transistor derived from 0.12μm lithography"Applied Physics Letters. 78(14). 2070-2072 (2001)
• [文献書誌] B. J. Hinds, T.Yamanaka, S.Oda: "Charge Storage Mechanism in Nano-Crystalline Si Based Single Electron Memories"Materials Research Society Symposium Proceedings. 638. F2.2.1-F2.2.6 (2001)
• [文献書誌] J. Omachi, R.Nakamura, K.Nishiguchi, S.Oda: "Retardation in the oxidation rate of nanocrystalline silicon quantum dots"Materials Research Society Symposium Proceedings. 638. F5.3.1-F5.3.6 (2001)
• [文献書誌] K.Nishiguchi, X.Zhao, S.Oda: "Fabrication and characterization of cold electron emitter based on nanocrystalline silicon quantum dots"Materials Research Society Symposium Proceedings. 638. F.5.91-F5.9.6 (2001)
• [文献書誌] K.Arai, J.Omachi, K.Nishiguchi, S. Oda: "Photoluminescence study of the self-limiting oxidation in nanocrystalline silicon quantum dots"Materials Research Society Symposium Proceedings. 664. A20.6.1-A20.6.6 (2001)
• [文献書誌] S.Oda, K.Nishiguchi: "Nanocrystalline silicon quantum dots prepared by VHF plasma enhanced chemical vapor deposition"Journal de Physique IV. 11(Pr.3). 1065-1071 (2001)
• [文献書誌] B. J. Hinds, T.Yamanaka, S.Oda: "Emission Lifetime of Polarizable Charge Stored in Nano-Crystalline Si Based Single Electron Memory"Journal of Applied Physics. 90(12). 6402-6408 (2001)
• [文献書誌] K.Nishiguchi, S.Oda: "Proceedings of the 25th International Conference on the Physics of Semiconductors"Springer, Berlin. 1037-1038 (2001)
• [文献書誌] S.Oda: "APPC 2000, Electron transport in silicon nanodevices"World Scientific, Singapore. 67-72 (2001)