2019 Fiscal Year Research-status Report
Demonstration of ultrafast resonant tunneling transistor
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19K21951
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
冨岡 克広 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (60519411)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 薄膜・量子構造 / ナノワイヤ / トンネルFET / 超格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
R1年度は、主にInGaAs/AlInAs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ALInAsナノワイヤ選択成長機構の解明、(ii) Si(111)基板上のInGaAs/AlInAs超格子ナノワイヤの選択成長、(iii)Si基板上のInGaAs/AlInAs超格子ナノワイヤのダイオード素子の試作と特性評価
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以下にそれぞれの達成状況の詳細を記す
(i)InP(111)基板上のAlInAs選択成長機構の解明：MOVPE選択成長法によりSiO2膜をマスクとして堆積したInP(111)B基板上において、異なるAl供給分圧によりAlInAs選択成長を実施した。気相中のAl組成を0 - 30%まで変化させ、AlInAs選択成長・ファセット成長機構を調べた。その結果、Al=10%までは、InAsナノワイヤ選択成長と同様に、ナノワイヤファセット成長し、成長速度は開口直径の二乗の逆数に比例する表面拡散過程が支配的であることを明らかにした。一方、Al=20, 30%では、六角柱構造からなるナノワイヤ成長の収率が50%以下に減少し、成長したナノワイヤの成長速度および体積が80%減少すること、横方向・<-211>方向成長も促進することが明らかになった。これは、選択成長マスク上に供給されたのA原子はIn原子の表面拡散を抑制するためと思われる。
(ii)Si(111)基板上のInGaAs/AlInAs超格子ナノワイヤの選択成長:Si(111)基板上において、Si表面に(111)B極性を形成し、(i)の知見をもとにAl組成30%のAlInAs成長とIn組成80%のInGaAs成長シーケンスをパルス条件で供給し、AlInAs層1nm, InGaAs層2nmからなる超格子構造を10層選択成長した後に、InGaAsナノワイヤ成長を実施した。Si基板表面に垂直に林立した均一ナノワイヤの選択成長に成功した。
(iii)Si基板上のInGaAs/AlInAs超格子ナノワイヤのダイオード素子の試作と特性評価:(ii)で作製したn-Si上の超格子ナノワイヤについて、縦型ダイオード素子構造を作製し、電流・電圧特性を評価した。室温では、共鳴トンネル輸送に由来する負性微分抵抗は観察されなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
R2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AlInAs選択成長のAl 30%以上の条件下における、垂直ナノワイヤ選択成長条件の最適化、(ii) Si基板上におけるA;InAs/InGaAs超格子ナノワイヤ素子構造の最適化。
[2]電子素子応用
(i)Si基板上における共鳴トンネルダイオードの作製と素子特性の実証
(ii) 縦型トランジスタ構造の作製と、スイッチング特性の実現
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| Causes of Carryover |
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
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