弗化物混晶系バンドエンジニアリングによるヘテロデバイス技術の研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650304
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 筒井 一生 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (60188589)
• キーワード: 弗化物混晶 / バンドエンジニアリング / ヘテロ構造 / CaF_2 / CdF_2 / 共鳴トンネル / 伝導帯端不連続

研究概要

CaF_2とCdF_2の混晶薄膜をSi基板上にヘテロエピタキシャル成長する系において、混晶組成によってエネルギーバンド構造の伝導帯端のエネルギーレベルを人工的に制御できること、およびこれをデバイスに応用することの有効性を示すことを目的として研究を進めた。
まず、Ca_xCd_<1-x>F_2混晶をSi基板上に成長する際に必要となるCaF_2バッファの薄層化をはかり、これを2分子層相当まで薄くしてもその上の混晶層の結晶性およぴ表面モフォロジーを良好に維持できることを明らかにし、CaF_2バッファ層を電子が充分トンネルできる程度まで薄くできるので、各種トンネルデバイスへの応用に間題ないことを示した。
続いて、内部光電子放出法を用い、Au/Ca_xCd_<1-x>F_2/CaF_2(バッファ)/Si(111)構造のダイオードに対しAu側から電子を光励起し、Ca_xCd_<1-x>F_2混晶層への光励起電流の励起波長依存性を計測した。この結果より、Ca_xCd_<1-x>F_2混晶の伝導帯端エネルギーレベルが組成によって線形に変化することを始めて実証した。また、従来はX線光電子分光法のみで評価されていたCaF_2のエネルギー障壁レベル(Siに対して2.3eV)が本方法でも求められ、従来の報告値と一致することも確認できた。以上より、弗化物Ca_xCd_<1-x>F_2混晶系で組成によるエネルギーバンドエンジニアリングが可能であることを明らかにした。
最後に、この混晶層をバリア層に用いたダブルバリア共鳴トンネルダイオードを製作し、従来のCaF_2バリアの素子と特性比較を行った。その結果、前者でも微分負性抵抗特性が得られ、後者に比べて厚いバリア層を用いても高い電流密度が得られることがわかり、エネルギー障壁レベルの制御性がトンネルデバイスの電気特性からも示された。Si基板上の量子効果デバイスのための材料技術として非常に有効であると結論した。

研究成果

• [文献書誌] T.Teramura, H.Sekine, K.Tsutsui: "Fluoride Resonant Tunneling Diodes Co-integrated with Si-MOSFETs"Jpn. J. Appl. Phys.. 41・4B(発表予定). (2002)
• [文献書誌] H.Kambayashi, T.Gotoh, H.Maeda, K.Tsutsui: "Growth Characteristics of Ca_xCd_<1-x>F_2 Films on Si Substrates Using CaF_2 Buffer Layen"J, Crystal Growth. (発表予定). (2002)
• [文献書誌] 前田元輝, 神林宏, 筒井一生: "Cd-rich Ca_xCd_<1-x>F_2の混晶のSi(111)基板上へのエピタキシャル成長"第49回応用物理学関係連合講演会予稿集. (発表予定). (2002)
• [文献書誌] 神林宏, 前田寛, 筒井一生: "Si基板上でのエピタキシャルCaCdF_2混晶層の電気的特性"第62回応用物理学会学術講演会予稿集. 1052-1052 (2001)