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2013 年度 実績報告書

III‐V族pチャネルMOSFETのための価電子帯エンジニアリングと界面双極子制御

研究課題

研究課題/領域番号 24246058
研究機関独立行政法人産業技術総合研究所

研究代表者

安田 哲二  独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 副研究部門長 (90220152)

研究分担者 前田 辰郎  独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (40357984)
宮田 典幸  独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 研究グループ長 (40358130)
大竹 晃浩  独立行政法人物質・材料研究機構, 先端フォトニクス材料研究ユニット, 主幹研究員 (30267398)
奈良 純  独立行政法人物質・材料研究機構, 理論計算科学ユニット, 主任研究員 (30354145)
藤代 博記  東京理科大学, 基礎工学部, 教授(Professor) (60339132)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード電子・電気材料 / 半導体物性 / 表面・界面物性 / マイクロ・ナノデバイス / エピタキシャル
研究概要

GaSbの界面制御に関して、GaSb(001)面及び(111)A面につき超高真空のMBE環境で各種再配列表面を調整した上にHfO2/GaSb構造を作製し、表面構造がMOS界面特性に及ぼす影響を検討した。表面調整においては低速電子線回折(LEED)を活用した。その結果、Sb被覆率が小さいGaSb(111)A-(2x2)表面上で界面準位密度が最も低くなり、初期表面のSb被覆率と界面準位密度との相関が示された。更に、量産に適した絶縁膜形成法である原子層成長を用いて、GaAs基板上にGaSb層をエピ成長した基板上へAl2O3/GaSb構造を作製する場合について、成長前処理がMOS特性に与える影響を調べた。その結果、真空アニールによりGaSb表面の酸化膜を脱離させることで界面準位密度が3E12/cm2・eV程度と小さい界面を得た。このMOS構造を用いてのpMOSFET動作も確認した。量子補正モンテカルロ法を用いてMOSFETの電流駆動能力に影響を及ぼす因子を検討し、合金散乱と谷間散乱の重要性、及び、遅延時間分布が運動量分布変調、チャネル走行時間、運動量・エネルギー緩和に起因する3領域に分割されることを明らかにした。
Si基板上に高品質のGaSbを集積するために、ナノチャネルエピタキシー(NCH)法およびInAs中間層を用いてSi基板上にGaSb成長を行った。NCH法ではアンチフェイズドメインを充分に抑えるには至っていないが、(111)面にInAs中間層を形成した場合は良質なエピ膜が得られ、その上に形成したMOSキャパシタは、GaSb(111)Aバルク基板上の場合と同等の特性を示した。
荷電子帯エンジニアリングに関しては、InGaAsのInとGaの並び方が異なる複数の構造につき、第一原理計算により伝導帯と価電子帯の構造を調べ、有効質量の値が並び方によって有意に変化することを見い出した。

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

GaSbのエピタキシャル層高品質化とMOS界面制御の検討については、論文や学会で発表できるレベルの成果が出ており、今年度はpMOSFETの動作も確認している。価電子帯エンジニアリングについては研究分担者の長期海外出張のため進捗がやや遅れているものの、III-V族pチャネルMOSFETの高性能化を目的とした本研究課題の全体として見れば、概ね順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

今年度の研究により比較的良好なMOS界面特性が得られたGaSbについて、MBE環境で作製するHfO2/GaSb界面特性の更なる改善に向けて、表面構造の最適化を進めるとともに、Ge等の中間層挿入の効果を検討する。これと並行して、デバイス量産に適した原子層成長(ALD)において、GaSb表面のIII族およびV族原子による終端構造を制御するためのその場清浄化手法を検討する。これらにより、界面双極子の制御とMOS界面準位の低減を目指す。
GaSbを用いたpMOSFETについては、今年度すでにデバイス動作の確認を終えており、今後開発するMOS界面制御手法を適用したデバイス試作を行い、サブスレッショルドスロープやチャネル移動度といったデバイス特性の改善を試みる。また、Si基板上へのGaSb p-MOSFET集積に向けて、MBE装置を整備したうえでn型のGaSb(Teドープ)の成長実験を進める。更に、III-V MOSFET内の遅延時間の発生メカニズムについて引き続き詳細な解析を行い、遅延時間の抑制に有利な材料とデバイス構造を検討する。またデバイスと回路の統合シミュレーションにより動的インバータ特性を解析する。
InGaAsの価電子帯エンジニアリングに関して、本年度までの検討したタイプ以外のオーダリング構造に検討範囲を広げてバンド構造を計算し、InGaAsの軽い正孔を選択的にキャリア輸送に利用する可能性について理論計算の観点から検討する。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (7件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Heteroepitaxy of GaSb on Si(111) and fabrication of HfO2/GaSb metal-oxide-semiconductor capacitors2014

    • 著者名/発表者名
      A. Ohtake, T. Mano, N. Miyata, T. Mori, and T. Yasuda
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 104 ページ: 032101-01~04

    • DOI

      10.1063/1.4862542

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Comparative study on nano-scale III-V double-gate MOSFETs with various channel materials2013

    • 著者名/発表者名
      Akio Nishida, Kei Hasegawa, Ryoko Ohama, Sachie Fujikawa, Shinsuke Hara, and Hiroki I. Fujishiro
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi c: current topics in solid state physics

      巻: 10 ページ: 1413~1416

    • DOI

      10.1002/pssc.201300264

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 真空アニール法がAl2O3/GaSb MOS界面に与える影響2013

    • 著者名/発表者名
      後藤高寛, 藤川紗千恵, 藤代博, 小倉睦郎, 安田哲二, 前田辰郎
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 113 ページ: 37~42

  • [学会発表] 各種チャネル材料を用いたIII-V DG MOSFETの遅延時間解析2014

    • 著者名/発表者名
      矢島悠貴, 大濱諒子, 西田明央, 藤川紗千恵, 藤代博記
    • 学会等名
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学相模原キャンパス
    • 年月日
      20140320-20140320
  • [学会発表] Al2O3/GaSb MOS 界面構造における絶縁膜堆積前処理の検討2014

    • 著者名/発表者名
      後藤高寛, 藤川紗千恵, 藤代博記, 小倉睦郎, 安田哲二, 前田辰郎
    • 学会等名
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学相模原キャンパス
    • 年月日
      20140318-20140318
  • [学会発表] Demonstration of Ni-GaSb metal S/D GaSb pMOSFETs with vacuum annealing on GaAs substrates2013

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Goto, Sachie Fujikawa, Hiroki Fujishiro, Mutsuo Ogura, Tetsuji Yasuda, Tatsuro Maeda
    • 学会等名
      44th IEEE Semiconductor Interface Specialists Conference
    • 発表場所
      Arlington, VA, USA
    • 年月日
      20131206-20131206
  • [学会発表] Electrical Characteristics and Thermal Stability of HfO2/GaSb MOS Interfaces Formed on Clean GaSb(100)-c(2×6) Surfaces2013

    • 著者名/発表者名
      N. Miyata, A. Ohtake, M. Ichikawa, T. Yasuda
    • 学会等名
      2013 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology
    • 発表場所
      Tokyo
    • 年月日
      20131107-20131107
  • [学会発表] 各種チャネル材料を用いたIII-V DG MOSFETの特性解析2013

    • 著者名/発表者名
      大濱諒子, 西田明央, 藤川紗千恵, 藤代博記
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      20130919-20130919
  • [学会発表] GaSbショットキー接合型メタルS/D pMOSFETsの動作実証2013

    • 著者名/発表者名
      後藤高寛, 藤川紗千恵, 藤代博記, 小倉睦郎, 安田哲二, 前田辰郎
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      20130916-20130916
  • [学会発表] 真空アニール法がAl2O3/GaSb MOS界面に与える影響2013

    • 著者名/発表者名
      後藤高寛, 藤川紗千恵, 藤代博記, 小倉睦郎, 安田哲二, 前田辰郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会 ED研
    • 発表場所
      富山大学
    • 年月日
      20130809-20130809
  • [産業財産権] 表面の平坦性および結晶構造の完全性に優れたGaSb/InAs/Si(111)構造とその形成方法、並びにその構造を用いたMOSデバイスおよび赤外検出デバイス2013

    • 発明者名
      大竹晃浩、間野高明、宮田典幸、安田哲二
    • 権利者名
      大竹晃浩、間野高明、宮田典幸、安田哲二
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2013-195290
    • 出願年月日
      2013-09-20

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公開日: 2015-05-28  

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