金属と絶縁体のテヘロ接合超格子による光・電子集積化デバイス用高機能材料の研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11555084
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 浅田 雅洋 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (30167887)
• 研究分担者: 渡辺 正裕 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (00251637)
• キーワード: 金属 / 絶縁体 / 半導体ヘテロ接合 / フッ化カルシウム / フッ化カドミウム / 共鳴トンネルダイオード / 極微細デバイス / 量子効果デバイス / イオン化ビーム結晶成長

研究概要

金属/絶縁体/半導体超格子を用いた電子デバイス、光デバイス、およびそれらの融合デバイスをシリコン基板上に形成し高機能集積回路を構成することを目的とし、本年度は、材料系としてヘテロ接合のポテンシャル障壁が高く薄膜において顕著な量子効果が現れるため高機能デバイスに適していると考えられるCaF2/CdF2およびSi/CaF2からなる超格子構造の高精度結晶成長法の研究を行い、この結果に基づいて共鳴トンネル素子を形成した。まず、これらの極薄膜結晶成長が基板の結晶テラス幅に強く依存することを見出し、面方位(111)からのオフ角の異なる基板に対して、熱処理によってテラス幅の均一化を行う条件を明らかにし、熱処理した基板上に平坦で結晶性のよいCaF2極薄膜を得るための最適結晶成長条件を把握した。引き続いて、CaF2極薄膜上にSiあるいはCdF2の極薄層およびこれらの半導体/絶縁体や絶縁体/絶縁体の数層からなる構造を成長する条件を明らかにした。得られた結晶成長条件を用いて二重障壁共鳴トンネルダイオードを作製し、Si/CaF2およびCaF2/CdF2のいずれにおいても再現性のよい微分負性抵抗特性を得た。特にCaF2/CdF2共鳴トンネルダイオードにおいてはピーク/バレー比10^5〜10^6と、従来の半導体ヘテロ接合では考えられない極めて大きな値を実現した。また、電界制御型量子効果素子の基本となるシリコン/フッ化カルシウム極薄多層構造によるトンネル制御型電界効果トランジスタを作製し、三端子動作を達成するとともに、短チャネル構造に拡張するための作製プロセスを明らかにした。以上により、シリコン基板上の高機能量子効果素子及び集積回路の基本的要素となる素子の構造作製プロセスと基本動作を得ることができた。

研究成果

• [文献書誌] W.Saitoh: ""Analysis of short-channel Schottky source/drain metal-oxide-semiconductor field-effect transistor on silicon-on-insulator substrate and demonstration of sub-50nm n-type""Japanese Journal of Applied Physics. 38. 6226-6231 (1999)
• [文献書誌] M.Tsutsui: ""Resonant tunneling diodes in Si/CaF2 heterostructures grown by molecular beam epitaxy""Japanese Journal of Applied Physics. 38. L920-L922 (1999)
• [文献書誌] W.Saitoh: ""35nm metal gate p-type metal oxide semiconductor field-effect transistor with PtSi Schottky source/drain on separation by implanted oxygen substrate""Japanese Journal of Applied Physics. 38. L629-L631 (1999)
• [文献書誌] Y.Oguma: ""Terahertz response with dradual change from square-law detection to photon-assisted tunneling in tripple-barrier resonant tunneling diodes""Japasese Journal of Applied Physics. 38. L717-L719 (1999)
• [文献書誌] M.Asada: ""Estimation of THz gain due to interwell transition by the measurement of detection properties of triple-barrier resonant tunneling diodes""Int.Conf.on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (HCIS-11). MoB-1 (1999)
• [文献書誌] Y.Oguma: ""Observation of gradual change from square-law detection to photon-assisted tunneling in THz response of triple-barrier resonant tunneling diodes""Int.Conf.on Modulated Semiconductor Structures (MSS9). GO3 (1999)