ナノメータ・スケール集積エレクトロニクスの理論的構築

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13025210
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 名取 研二 筑波大学, 物理工学系, 教授 (20241789)
• 研究分担者: 中村 淳 電気通信大学, 電気通信学部, 助手 (50277836) ; 佐野 伸行 筑波大学, 物理工学系, 助教授 (90282334) ; 山部 紀久夫 筑波大学, 物理工学系, 教授 (10272171)
• キーワード: ナノメータ・スケール / 微細化限界 / 理論的アセスメント / 集積エレクトロニクス / シリコン集積回路 / ナノテクノロジー

研究概要

1.キャリヤ散乱の少ない構造のMOSFETを作製し低温で動作させれば、バリステイックMOSFETを実現できることが示された。バリステイックMOSの特性予測は、ゲート電圧の小さいところでは最低サブバンドのみを考慮することで充分だが、大きいところでは上のサブバンドまで考慮する必要があることが判明。
2.常温のバリステイックMOS特性は、MOSFETの最大限界性能を与える。その値は、10^<13>cm^<-3>程度の反転層キャリヤ密度に対して、2-2.5mA/μm程度となる。チャネル入り口でのキャリヤ速度は、1.2-1.6×10^7cm/s程度の値をとる。
3.準バリステイック領域のナノスケールMOSFETの動作特性をシミュレートする、新しい計算手法を提案。従来、Boltzmann方程式をMonte Carlo計算により数値的に解く方法が行われてきたが、ナノスケールの大きさの素子にたいしては、量子力学の不確定性より位置と運動量を同時に決められないため、この方法を直接に適用できない。本研究では、位相空間をメッシュに分け、キャリヤ運動を確率的に考え、さらにパウリの原理を考慮する新しいMonte Carlo計算法を与え、電流の計算を行った。
4.MOSFETのナノスケール化に伴うしきい値電圧のゆらぎの様子を確率統計論的に論じて、理論的な定式化を与えた。微細化により、しきい値電圧の分布は対称なガウス型から非対称な形に移り、ゆらぎが増大する。
5.酸化に伴う、Si/SiO_2界面の原子的平坦性のゆらぎを観察・評価。平坦な面に対しても、酸化は多数の原子層を巻き込み、平坦製の大きなゆらぎを生起させることが判明。
6.ナノワイヤ基礎研究。先ずGeナノワイヤ構造が成長することが知られている、その下地表面構造を検討。第一原理計算とSTM観察の比較より、TPI&Rモデルと呼んでいる構造であることが解明された。

研究成果

• [文献書誌] K.Natori: "Multi-Subband Effects on Performance Limit of Nanoscale MOSFETs"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.42,4B(to be published). (2003)
• [文献書誌] K.Natori: "Ballistic MOSFET Reproduces Current-Voltage Characteristics of an Experimental Device"IEEE Eletron Device Letters. Vol.23(No.11). 655-657 (2002)
• [文献書誌] M.Murata, N.Tokuda, D.Hojo, K.Yamabe: "Atomic Topography Change of SiO_2/Si Interfaces during Thermal Oxidation"Jpn.J.Appl.Phys.. 41,5A. L505-L508 (2002)
• [文献書誌] M.Murata, N.Tokuda, D.Hojo, K.Yamabe: "Leak-age current distribution in ultrathin oxide on silicon surface with step/terrace structures"Thin Solid Films. 414. 56-62 (2002)
• [文献書誌] T.Kurusu, N.Sano: "Significance of the Long-range Part of the Potential on the Mobility in Impure Semiconductors"PhysicaB. 314. 198-202 (2002)
• [文献書誌] Z.Zhang, K.Sumitomo, H.Omi, T.Ogino, J.Nakamura, A.Natori: "Atomic structures of the Ge/Si(113)-2x2 surface"Phys.Rev.Lett.. 88. 256101-1-256101-4 (2002)
• [文献書誌] D.Hojo, H.Oheda, N.Tokuda, K.Yamabe: "Topo-graphy change with Multilayer Oxidation at SiO_2/Si(111)interfaces"Jpn.J.Appl.Phys.. 42(to be published). (2003)
• [文献書誌] N.Sano, K.Matsuzawa, A.Hiroki, N.Nakayama: "Probability Distribution of Threshold Voltage Fluctuation in Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistors"Jpn.J.Appl.Phys.. 41. L552-L554 (2002)
• [文献書誌] A.Ohtake, J.Nakamura, S.Tsukamoto, N.Koguchi, A.Natori: "New structure model for the GaAs(001)-c(4x4)surface"Phys.Rev.Lett.. 89. 206102-1-206102-4 (2002)
• [文献書誌] S.P.Cho, N.Hara, N.Naruse, T.Kadohira, J.Nakamura, T.Osaka: "Alloying processes in the Au/InSb(111)A system"表面科学. 24(to be published). (2003)