半導体微細プロセスによる表面超音波デバイス開発と強相関物性解明への応用

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13518
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 根本 祐一 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (10303174)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 原子空孔 / 電子物性 / 超音波計測 / 半導体

研究実績の概要

シリコンは現代社会を根幹から支える半導体の基盤材料である。情報用デバイスは微細化のトレンドがシングルナノレベルへ進行し，電力変換などに用いられるパワーデバイスは，高耐久性，高信頼性の要求が一層高まるなど，各種デバイス基板として用いられるシリコンウェーハの高品質化が依然として重要課題となっている。
本研究では，我が国が誇る最先端のシリコンウェーハ中に極僅かに存在する原子空孔を観測することにより，原子空孔が生成要因である微小な２次欠陥の制御を目指している。ボロン添加シリコンでは，電荷状態V+が実現しスピン軌道相互作用によって磁性をもつガンマ8基底が実現され，超音波による歪み波と結合する原理により，弾性定数の低温ソフト化を調べることで，原子空孔濃度の定量評価が可能である。ガンマ8は外部応力によって分裂するので，ソフト化量の変化を調べ，原子空孔軌道の電気四極子と歪みの結合定数gを精密化できる。そこで，微小応力を精密に印加できる超音波実験用セルを開発し，シリコンウェーハ上に直接製造した表面弾性波素子による超音波実験を行った。弾性定数Csの低温ソフト化の応力依存性を調べた結果，応力印加に伴い低温ソフト化量は減少した。標準理論では応力印加による体積変化が微小である仮定をしているが，原子空孔軌道の感受率計算では体積変化にともなう歪みの効果が顕著に現れることが明らかとなった。希土類化合物や遷移金属化合物における電子物性の解析では，微小な体積変化が無視できるが，巨大に拡がった原子空孔軌道では体積変化が無視できないことを実証した。これは空孔軌道のもつ電気四極子と歪みとの結合が，数10万Kと極めて大きいこれまでの知見と整合する。以上の成果により，現在世界トップのウェーハメーカーとの原子空孔軌道の基礎研究を進める共同研究を展開している。本研究成果は，国際会議での招待講演や日本物理学会等で報告した。

研究成果

• [雑誌論文] Neutron scattering study of yttrium iron garnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Shamoto, Tkashi U. Ito, Hiroaki Onishi, Hiroki Yamauchi, Yasuhiro Inamura, Masato Matsuura, Mitsuhiro Akatsu, Katsuaki Kodama, Akiko Nakao, Taketo Moyoshi, Koji Munakata, Takashi Ohhara, Mitsutaka Nakamura, Seiko Ohira-Kawamura, Yuichi Nemoto, Kaoru Shibata
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.054429
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical Slowing Down of Quadrupole and Hexadecapole Orderings in Iron Pnictide Superconductor (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Kurihara, Keisuke Mitsumoto, Mitsuhiro Akatsu, Yuichi Nemoto, Terutaka Goto, Yoshiaki Kobayashi, Masatoshi Sato
  • 雑誌名: Journal of The Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 1-27
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.064706
  • 査読あり
• [学会発表] 応力印加によるボロン添加シリコン中の原子空孔軌道の四極子-歪み相互作用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三本啓輔, 坂井隼人, 赤津光洋, 根本祐一, 後藤輝孝
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] Observation of vacancy orbital in silicon crystals using low-temperature ultrasonic measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Nemoto
  • 学会等名: 29th International Conference on Defects in Semiconductors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 弾性定数の低温ソフト化と磁場依存性によるシリコン原子空孔の量子状態解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 根本祐一, 坂井隼人, 赤津光洋, 三本啓輔, 後藤輝孝
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 曲げ応力下でのボロン添加シリコンウェーハの原子空孔軌道の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂井隼人, 赤津光洋, 三本啓輔, 根本祐一, 後藤輝孝
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 表面弾性波による曲げ応力下でのシリコン原子空孔軌道の四極子-歪み相互作用の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂井隼人, 赤津光洋, 三本啓輔, 根本祐一, 後藤輝孝
  • 学会等名: 第46回 日本物理学会新潟支部例会