Establishment of analysis of single nanowire by atom probe tomography in combination with transmission electron microscopy

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05413
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: ３次元アトムプローブ / 透過電子顕微鏡 / ナノワイヤ / 量子構造 / 半導体

Outline of Annual Research Achievements

将来実用的な半導体量子デバイス構造の候補としてナノワイヤ素子が注目されている。この素子において、不純物添加時に導入される結晶欠陥が電気的特性に与える影響を理解するためには、ドーパントと欠陥の空間的な位置関係を明確にする必要がある。本研究では、最新のナノワイヤ構造に着目し、原子レベルの位置分解能で元素の実空間分布を得る３次元アトムプローブ法と欠陥分布を得る透過電子顕微鏡法を同一の試料に適用し、ドーパント－欠陥の位置関係をサブナノスケールで明らかにするとともに、予め得た電気的特性との因果関係を明らかにすることを目的とする。これにより単一のナノワイヤ中のドーパント－欠陥－電気的特性の三者の関係を明確にすることができ、ドーパント位置制御に繋がる重要な知見や指導原理を得ようとするものである。
半導体ナノワイヤの研究を専門とする深田直樹博士（（国研）物質・材料研究機構）の協力を得て、ゲルマニウム－ホウ素添加シリコン（開発段階のコア－シェル構造）のナノワイヤを対象に実験を遂行した。第１に、透過電子顕微鏡で観察した特定のナノワイヤを高精度集束イオンビーム装置のマニピュレータを用いて拾い上げ、３次元アトムプローブ測定用の試料台に効率良く設置する手法を確立した。これにより、ナノワイヤ素子を構成する元素（シリコン・ゲルマニウム・ホウ素）の実空間分布を歩留まり良く得るための実験体系を構築できた。第２に、本研究費で導入した残留ガス分析装置を用いて、３次元アトムプローブ測定中に分析チャンバー内に残留するバックグラウンドノイズを精度良く定量化し、微量ドーパントの感度向上を図れるようになった。本研究を通じて、単一のナノワイヤ中のドーパントおよび欠陥分布を高精度に直接対応できるようになった。これまでの成果を国内外の学術会議にて発表し、Nanoscale誌への掲載に至った。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Blocking of deuterium diffusion in poly-Si/Al2O3/HfxSi1-xO2/SiO2 high-k stacks as evidenced by atom probe tomography (2018)
  • Author(s): Y. Tu, B. Han, Y. Shimizu, Y. Kunimune, Y. Shimada, T. Katayama, T. Ide, M. Inoue, F. Yano, K. Inoue, and Y. Nagai
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Pages: 032902/1-5
  • DOI: 10.1063/1.5010256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Composition evolution of gamma prime nanoparticles in the Ti-doped CoFeCrNi high entropy alloy (2018)
  • Author(s): B. Han, J. Wei, Y. Tong, D. Chen, Y. Zhao, J. Wang, F. He, T. Yang, C. Zhao, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nagai, A. Hu, C.-T. Liu, and J.-J. Kai
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 148 Pages: 42-46
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.01.025
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Industrial application of atom probe tomography to semiconductor devices (2018)
  • Author(s): A. D. Giddings, S. Koelling, Y. Shimizu, R. Estivill, K. Inoue, W. Vandervorst, and W. K. Yeoh
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 148 Pages: 82-90
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2017.09.004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 1.54 μm photoluminescence from Er:Ox centers at extremely low concentration in silicon at 300 K (2017)
  • Author(s): M. Celebrano, L. Ghirardini, M. Finazzi, Y. Shimizu, Y. Tu, K. Inoue, Y. Nagai, T. Shinada, Y. Chiba, A. Abdelghafar, M. Yano, T. Tanii, and E. Prati
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 42 Pages: 3311-3314
  • DOI: 10.1364/OL.42.003311
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atom probe tomographic assessment of the distribution of germanium atoms implanted in a silicon matrix through nano-apertures (2017)
  • Author(s): Y. Tu, B. Han, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Fukui, M. Yano, T. Tanii, T. Shinada, and Y. Nagai
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 28 Pages: 385301/1-7
  • DOI: 10.1088/1361-6528/aa7f49
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanoscopic analysis of oxygen segregation at tilt boundaries in silicon ingots using atom probe tomography combined with TEM and ab initio calculations (2017)
  • Author(s): Y. Ohno, K. Inoue, K. Fujiwara, K. Kutsukake, M. Deura, I. Yonenaga, N. Ebisawa, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nagai, H. Yoshida, S. Takeda, S. Tanaka, and M. Kohyama
  • Journal Title: Journal of Microscopy Volume: 268 Pages: 230-238
  • DOI: 10.1111/jmi.12602
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Dopant detection in silicon nanostructures by atom probe tomography (2017)
  • Author(s): Y. Shimizu and K. Inoue
  • Organizer: 4th Bilateral Italy-Japan Seminar: Innovative Solutions for Single Atom Applications in Photonics and Nanoelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Atom probe study of erbium and oxygen co-implanted silicon (2017)
  • Author(s): Y. Shimizu, Y. Tu, A. Abdelghafar, M. Yano, Y. Suzuki, T. Tanii, T. Shinada, E. Prati, M. Celebrano, M. Finazzi, L. Ghirardini, K. Inoue, and Y. Nagai
  • Organizer: 2017 Silicon Nanoelectronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atom probe study of semiconductor-based nanostructure (2017)
  • Author(s): Y. Shimizu
  • Organizer: 15th International Conference on Advanced Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of carbon on boron clustering and diffusion in silicon studied by atom probe tomography (2017)
  • Author(s): Y. Tu, Y. Shimizu, M. Inoue, Y. Kunimune, Y. Shimada, T. Katayama, T. Ide, K. Inoue, and Y. Nagai
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] シリコン中に共注入した酸素がエルビウム分布に与える影響 (2017)
  • Author(s): 清水康雄, Yuan Tu, アブデルガファ愛満, 鈴木雄大, 魏啓楠, 谷井孝至, 品田高宏, Enrico Prati, Michele Celebrano, Marco Finazzi, Lavinia Ghirardini, 井上耕治, 永井康介
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Direct observation of trapping of implanted deuterium in poly-Si/Al2O3/HfxSi1-xO2/SiO2 high-k stacks (2017)
  • Author(s): Y. Tu, B. Han, Y. Shimizu, M. Inoue, Y. Kunimune, Y. Shimada, T. Katayama, T. Ide, S. Nagata, K. Inoue, and Y. Nagai
  • Organizer: 2017 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dopant distribution analysis core-shell nanowires by atom probe tomography (2017)
  • Author(s): Y. Shimizu, B. Han, W. Jevasuwan, K. Nishibe, Y. Tu, K. Inoue, N. Fukata, and Y. Nagai
  • Organizer: 2017 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ３次元アトムプローブ法を用いた材料解析：原理と応用 (2017)
  • Author(s): 清水康雄
  • Organizer: 日本学術振興会 結晶加工と評価技術 第145委員会第156回研究会
  • Invited
• [Remarks] 永井研究室（清水康雄）
  • URL: http://wani.imr.tohoku.ac.jp/yshimizu.html
• [Remarks] 東北大学研究者紹介（清水康雄）
  • URL: http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/bdade9d3e1da0c7a19d6872a59445e4e.html