| 研究課題/領域番号 |
26246021
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| 研究機関 | 独立行政法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
深田 直樹 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (90302207)
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| 研究分担者 |
宮崎 剛 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (50354147)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ヘテロ構造 / 半導体 / ドーピング / シリコン / ゲルマニウム / ラマン / 第一原理計算 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、京などの超並列計算機を利用した大規模第一原理計算による知見を活かして、SiとGeのコアシェルナノワイヤを利用した高移動度チャネルを実現することが目的である。初年度は、４タイプの異なるコアシェルナノワイヤの成長条件の最適化を超高真空化学気相堆積装置を利用して行った。コア部分に関しては、Siの場合は500-600℃、Geの場合には280-320℃の範囲での低温成長を実現した。更にコア/シェル界面において急峻な界面を得るために、できる限りシェル形成温度を低温に保つようにした。その結果、Geシェルは500℃、Siシェルは700℃での低温成長を実現できた。界面のミキシング状態を高分解能TEMおよびEDXにより調べた結果からは低温成長にも関わらず、シェル層の結晶性は高く、急峻な界面形成を示唆する結果が得られた。
一方、オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを用いた研究としては、Si/GeおよびGe/Siコアシェルナノワイヤの約4千-3万原子を含んだ系についての大規模第一原理計算を実現した。具体的には、直径6nmの結晶コア、2nmのシェル層で覆われたコアシェルナノワイヤに対して第一原理計算による構造最適化を行い、内部の応力分布を明らかにした。また、コアシェルナノワイヤ内部の応力分布はコアシェルナノワイヤの形状に強く依存することも明らかにした。これらは、オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを利用したナノワイヤ系での初めての成果であり、世界最大規模の第一原理算によって初めて可能になった研究といえる。また、Siナノワイヤの表面は一般的に酸化膜で覆われているが、その酸化膜構造を古典分子動力学計算を用いて作成した。作成された構造は実験結果と矛盾ない構造であり、現在オーダーN法第一原理計算への適用を進めているところである。
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| 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
現在までに、実験および理論両面において、当初の研究計画書に記載したほぼ全ての内容を達成できている。研究実績概要にも記載したように、実験のパートに関しては、1）４タイプの異なる（n-Ge/i-Si、p-Si/i-Ge、i-Ge/p-Si、i-Si/n-Ge）コアシェルナノワイヤの形成、2）シェルの低温形成によるSi/Ge界面における急峻な界面の形成を主たる研究成果として達成できている。アトムプローブを利用したコアシェル構造の3次元イメージの観測に関しては、装置の故障等により少し計画より遅れてはいるが、単一のSiナノワイヤ構造の測定まではできている。次年度以降でコアシェル構造への適応を進めていく予定である。
一方、理論のパートに関しては、1）オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを利用し、Si/Geコアシェルナノワイヤ構造（約4千〜3万原子系）に対する構造最適化計算に成功し、2）コアシェルナノワイヤ内部の応力分布の計算およびは応力分布の表面構造依存性について明らかにすることに成功している。Siナノワイヤ表面酸化膜の計算に関しては、古典分子動力学計算を用いた構造モデリングを行ったが、オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTでの最終結果は得られておらず、次年度以降での課題として現在取り組んでいる。
以上のようにして、研究計画書に記載した初年度の研究計画のほとんどを達成できたといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究計画としては、コアシェルナノワイヤへの位置制御ドーピングを実行する。ドーピングによるシェル形成への影響、ドーパント不純物の拡散、ドーパント不純物による界面ミキシングの影響について中心的に調べる。コアドーピングに関しては、既に実績があり、PドープGeナノワイヤは300℃で、BドープSiナノワイヤは400－500℃で成長を行う。不純物のドープ量に関しては、PH3およびB2H6ガスの流量を調整することにより行う。シェル層は未ドープで行うため、初年度の温度条件を適用する。シェル層にドーピングを行う場合、ドーパントガスの“表面成長促進効果”を利用する。そのため、n-Ge層は500℃で、p-Si層は600℃と未ドープの場合に比べて100℃低い温度での成長を行う。低温で成長を行うことで、ドーパント不純物の拡散及び界面ミキシングを抑制することを狙う。
また、第一原理計算による構造最適化によって得られた構造に対して、櫻井杉浦法などの応用数学の手法を用いて一電子固有状態の解析を行う。実験結果を参考にしながら、複数の構造モデルを作成し、応力分布と電子状態に対して、半径・構成比依存性や界面構造依存性を調べる。さらに、これらの構造モデルに対してSi中にB、Ge中にPを導入した時の安定構造と全エネルギーを計算する。コアシェル構造ではSiとGeの格子の違いだけでなく、コアシェル境界やシェル/酸化膜境界の界面構造の影響が大きい。従って、歪みの度合いが場所によって変わり、不純物の熱力学的安定性は場所によって大きく変わると予想される。また、これらの不純物ドーピングによってホールまたは電子がナノワイヤのどこに供給されるかを明らかにする。更に、不純物拡散のエネルギー障壁を計算し、拡散速度の場所依存性を明らかにする。不純物に局在した分子振動スペクトルの計算も行い、実験結果との比較から不純物サイトの特定を行う。
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