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2020 年度 実施状況報告書

超高速共鳴トンネルトランジスタの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K21951
研究機関北海道大学

研究代表者

冨岡 克広  北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (60519411)

研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2022-03-31
キーワード薄膜・量子構造 / ナノワイヤ / トンネルFET / 超格子
研究実績の概要

次世代電子スイッチ素子は、低消費電力化と高性能化を両立する必要がある。低消費電力化のためには、電界効果トランジスタ(FET)のスイッチ性能のサブスレッショルド係数について、キャリアの熱拡散原理の物理限界を回避し、新しい電流輸送機構で動作するスイッチ素子の実現が不可欠である。これまでにトンネルFET、負性容量ゲートFETなどが次世代スイッチ素子として期待されているが、トンネルFETは、トンネル確率で電流値が決定されるため得られる電流値が非常に小さく、負性容量ゲートFETは、誘電率をマッチングするため高速(高周波)動作に向かない。以上から、低消費電力化と高性能化は現行の次世代トランジスタ候補ではトレードオフがあり、低消費電力化と高性能化を両立した新しい原理の次世代スイッチ素子は実現されていない。本研究は、半導体ナノワイヤの長軸 方向に独自の成長手法で超格子構造を形成し、縦型のサラウンディングゲート構造による小さな電界変調によって、伝導帯に形成された多重ポテンシャルで生じる準バリスティック輸送・共鳴トンネル輸送を制御しスイッチングする新しいトランジスタ構造の動作実証を行なう。
R2年度は、超格子ナノワイヤ選択成長と共鳴トンネル動作の検証を進め、InGaAs/GaAsの組み合わせからなる超格子ナノワイヤが目標構造に適していることがわかったため、主にInGaAs/GaAs超格子ナノワイヤ結晶成長技術の確立に主眼を置き、以下の研究事項について実施した。
(i) InP(111)B基板上のInGaAs/GaAsナノワイヤ超格子構造の成長および成長機構の解明、(ii)Si基板上のInGaAs/GaAs超格子ナノワイヤのダイオード素子の試作と特性評価、(iii)コアシェル型ナノワイヤ構造のFET特性の検証

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

以下にそれぞれの達成状況の詳細を記す
(i)MOVPE選択成長法によりInP(111)B基板上のInGaAsナノワイヤ選択成長において、In組成70%からなるInGaAs層とGaAsの組み合わせからなる超格子構造をナノワイヤの長軸方向に形成する選択成長機構を調べた。InGaAs/GaAs超格子ナノワイヤ成長後、XRD評価による組成分析を行ったところ、InGaAs層成長終了直後における(111)B表面上のIn残留分子がGaAs層成長に取り込まれるため、GaAs層が混晶化することがわかり、InGaAs層成長直後にAsH3パージを導入し、残留In原子の固相化によって、混晶化を抑制する手法を見出した。これによって、In-rich InGaAs/Ga-rich InGaAs超格子層の形成が可能になった。この他InGaAs/InAs超格子ナノワイヤの選択成長を実施した。
(ii)(i)の超格子ナノワイヤについて縦型ダイオード素子を作製し、電流・電圧特性を評価した。InGaAs/InAs超格子ナノワイヤについては、順方向バイアス1.2 V程度で共鳴トンネル輸送を示す負性微分抵抗領域を生じ、In-rich InGaAs/Ga-rich InGaAsにおいても、順方向アイアス0.5 V付近において負性微分抵抗領域を生じ、目的とする超格子構造を形成できること実証した。
(iii) 超格子ナノワイヤの選択成長では、ナノワイヤ側壁にもヘテロ接合が形成される可能性がある。これを共鳴トンネルFET動作と切り分けるため、今年度は、意図的にコアシェル構造を形成したナノワイヤのFET素子を作製しスイッチ特性を評価し、コアシェル型構造では、バイポーラ特性が支配的になる傾向があり、共鳴トンネルFET動作との差異について知見が得られた。

今後の研究の推進方策

R3年度は、これらの知見を活かして、以下の研究を実施する予定である。
[1]結晶成長(i) InP(111)B基板上のInAs/InGaAs超格子およびInGaAs/GaAs超格子ナノワイヤの不純物ドーピング、(ii)Si基板上のInAs/InGaAs超格子およびInGaAs/GaAs超格子ナノワイヤ選択成長と不純物ドーピング
[2]電子素子応用(i)不純物ドーピングにともなうコンタクト抵抗低減化による負性微分抵抗領域のピーク電圧の低減化(ii)上記結晶成長の項目、ダイオードの研究項目から得られた知見を基に、縦型トランジスタ構造を作製し、共鳴トンネル輸送のゲート電圧変調を実現し、高性能化を図る。

次年度使用額が生じた理由

予定していた消耗品購入について、研究進捗を考慮し次年度に購入するため

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] (招待講演) InGaAsコアマルチシェルナノワイヤ/Si接合による垂直ゲートオールアラウンドトンネルFETの作製2021

    • 著者名/発表者名
      冨岡 克広、蒲生 浩憲、本久 順一、福井 孝志
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 120 ページ: 13-16

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Integration of Indium Arsenide/Indium Phosphide Core-Shell Nanowire Vertical Gate-All-Around Field-Effect Transistors on Si2020

    • 著者名/発表者名
      Gamo Hironori、Tomioka Katsuhiro
    • 雑誌名

      IEEE Electron Device Letters

      巻: 41 ページ: 1169~1172

    • DOI

      10.1109/LED.2020.3004157

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rational synthesis of atomically thin quantum structures in nanowires based on nucleation processes2020

    • 著者名/発表者名
      Tomioka Katsuhiro、Motohisa Junichi、Fukui Takashi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 10720-1~9

    • DOI

      10.1038/s41598-020-67625-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Demonstration of InP/InAsP/InP axial heterostructure nanowire array vertical LEDs2020

    • 著者名/発表者名
      Akamatsu Tomoya、Tomioka Katsuhiro、Motohisa Junichi
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 31 ページ: 394003~394003

    • DOI

      10.1088/1361-6528/ab9bd2

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] InGaAs-InP core?shell nanowire/Si junction for vertical tunnel field-effect transistor2020

    • 著者名/発表者名
      Tomioka Katsuhiro、Ishizaka Fumiya、Motohisa Junichi、Fukui Takashi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 117 ページ: 123501~123501

    • DOI

      10.1063/5.0014565

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Selective-Area Growth of AlInAs Nanowires2020

    • 著者名/発表者名
      Tai Yoshiki、Gamo Hironori、Motohisa Junichi、Tomioka Katsuhiro
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 98 ページ: 149~153

    • DOI

      10.1149/09806.0149ecst

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vertical Gate-All-Around Tunnel FETs Using InGaAs Nanowire/Si with Core-Multishell Structure2020

    • 著者名/発表者名
      Tomioka Katsuhiro、Gamo Hironori、Motohisa Junichi、Fukui Takashi
    • 雑誌名

      IEEE IEDM Technical Digest

      巻: IEDM-2020 ページ: 429-432

    • DOI

      10.1109/IEDM13553.2020.9371991

    • 査読あり
  • [学会発表] (Invited) Integration of III-V nanowire LEDs on Si2020

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka and Junichi Motohisa
    • 学会等名
      The 20th International Meeting on Information Display (IMID 2020)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Selective-Area Growth of AlInAs Nanowires2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Tai, J. Motohisa, K. Tomioka
    • 学会等名
      Pacific Rim Meeting on electrochemical and solid state science (PRiME 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] 有機金属気相選択成長法によるAlInAsナノワイヤ成長とAl組成依存性2020

    • 著者名/発表者名
      田井 良樹、蒲生 浩憲、本久 順一、冨岡 克広
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [備考] Research map

    • URL

      https://researchmap.jp/read0146924

  • [備考] Publons

    • URL

      https://publons.com/researcher/2573745/katsuhiro-tomioka/publications/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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