2015 Fiscal Year Annual Research Report
熱輸送特性と不純物特性の制御による高性能Siナノ細線トランジスタの設計指針の確立
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15H03997
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
内田 建 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30446900)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ構造 / 不純物 / イオン化エネルギー / 量子効果 / 誘電率 / 熱伝導率測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，(I)ナノ構造半導体中の不純物特性の理解と(II)熱伝導率の測定手法の構築について進展があった．
ナノ構造半導体中の不純物特性の理解については，以下の項目を実施した．(a) 超平坦シリコン表面を有するシリコン薄膜を作製．シリコン薄膜には不純物のドーピングを施した． (b)不純物（燐）を有するシリコン薄膜において，キャリア数（電子数）の温度依存性を実験的に測定した．また，取得した実験データよりシリコン薄膜中の不純物濃度とイオン化エネルギーを抽出した． (c)量子効果と誘電率ミスマッチ効果を取り込んだシミュレーションを実施し，シリコン膜厚と不純物濃度が，不純物のイオン化エネルギーへ及ぼす影響を定量的に見積もった．(d)実験とシミュレーションの比較検討を通して，縮退半導体すなわち半導体が金属的に振る舞うために必要な不純物濃度（臨界不純物濃度）は，シリコン膜厚が薄いほど濃くなることを明らかにした．このことは，ナノワイヤトランジスタなどの低次元で，より量子効果・誘電率ミスマッチ効果が顕著になる素子においては，バルク特性から通常想定されるよりも圧倒的に高濃度な不純物をドーピングする必要があることを示している．(e)このように，実験とシミュレーションを通して，半導体ナノ構造において不純物のイオン化エネルギーを求めるモデルを確立した．このモデルを用いて，イオン化エネルギーを小さくするための材料選択・構造最適化などについて，現在探索中である．
（II）熱伝導率の測定手法の構築では，以下の項目を実施した．(a)シリコンナノ構造の熱伝導率を測定する3ω法と呼ばれる測定手法をより高周波まで適用し，熱伝導率の誤差を小さくする試みに着手した．(b)フォーミングガスアニール（FGA）がシリコン／シリコン酸化膜の界面熱抵抗に及ぼす影響を実験的に調べた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ナノ構造半導体を金属的な振る舞いをする縮退半導体にするには，バルクで想定される不純物濃度よりも圧倒的に高い不純物濃度を必要とすることを明らかにした．この成果は，ナノ半導体を利用するあらゆる高機能デバイスの設計に影響を及ぼす重要なものであると考えている．ナノワイヤトランジスタの特性を計算する量子シミュレータも完成しており，最終目標である「高性能Siナノ細線トランジスタの設計指針の確立」に向けたシミュレーションも既に開始している．3ω法による熱伝導率の測定手法の確立についても，高周波特性までモデル化する試みに着手している．
以上のように，研究初年度でナノ構造半導体において臨界不純物濃度が高くなることを明らかにするなどの顕著な成果が得られていることから，当初以上に計画が進展していると考えた．
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| Strategy for Future Research Activity |
1年目となる平成27年度に，ナノ構造半導体の不純物特性に大きな進展があったことから，2年目となる平成28年度は，ナノ構造半導体の熱輸送特性の評価に注力する．ナノ細線の評価は継続して行うものの，ナノ細線ごとのばらつきが大きく，モデル化にはあまり適さない．平成28年度は，より安定かつ均一な構造が作製しやすいナノ薄膜で熱輸送特性を評価・モデル化することに注力する．
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Research Products
(3 results)
