Development of vertical HEMT-type devices using Si-Ge core-shell heterojunction nanowires

使用Si-Ge核壳异质结纳米线开发垂直HEMT型器件

• 批准号: 21H04642
• 负责人: 深田 直樹
• 金额: $ 26.29万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04642/
• 关键词: ナノワイヤ; シリコン; ゲルマニウム; トランジスタ; ナノワイヤ; シリコン; ゲルマニウム; トランジスタ

現行の平面型金属・酸化膜・半導体電界効果型トランジスタ（MOSFET）では、微細化した回路素子からのリーク電流による発熱が大きくなるため、従来のスケール則に従った微細化だけでは素子の性能向上に限界が指摘されている。本研究では、IV族半導体Si、Ge、新規高移動度材料として注目されているGeSnから形成される特殊なコアシェルヘテロ接合により高電子移動度型トランジスタ（HEMT）構造を１次元ナノワイヤ内部に形成することで、次世代トランジスタの微細化限界・低消費電力化の課題を解決し、ナノ構造でも不純物散乱のない高移動度デバイスを実現する。本年度は、コアシェルヘテロ接合の精密形成制御に関する研究を実施した。コアシェルナノワイヤのHEMTデバイス応用を考えると、ヘテロ接合界面の制御が重要である。そこで、①界面相互拡散抑制、②ドーパント不純物の拡散抑制、③シェル層の高い結晶性、④不純物の活性化を満足するシェル形成条件を確立するための成長条件の探索を行った。①-②ではシェル形成温度を低くし、③-④では高くする必要がある。p-Siシェルの場合はジボラン（B2H6）ガス添加（位置制御ドーピング）によるSiH4ガス分解促進効果でシェル形成温度を700℃まで低下できた。一方、i-Geシェルでは更に500℃まで成長温度を低下できたため、相互拡散の問題を解決し、且つ高い結晶性維持できる最適条件を導き出すことに成功した。コアシェルナノワイヤモデルに対して、Si中の様々なサイトにアクセプタ不純物となるBを導入し、不純物の熱力学的安定性、拡散エネルギー障壁の場所依存性、界面依存性に関する大規模第一原理計算を進めている。

在当前的平面金属中，氧化物膜和半导体场效应晶体管（MOSFET），由微型电路元件的泄漏电流产生的热量增加，因此指出，根据常规规模的规则，小型化指出，改善设备的性能是有限的。在这项研究中，通过形成一维纳米线内部的高电子迁移式晶体管（HEMT）结构，使用由IV组IV组SI，GE和GESN制成的特殊核心壳异质结构，它吸引了作为新型高体型材料的注意力，我们可以解决下一个高强度和低功能的问题。甚至在纳米结构中散射。今年，我们对控制核心异质界的精确形成的控制进行了研究。考虑到将核壳纳米线应用于HEMT设备的应用，对异质结界面的控制很重要。因此，我们搜索了生长条件以建立满足壳形成条件1）相互互相扩散，2）掺杂剂杂质扩散，3）壳层的高结晶度和4）杂质激活。在①-②中，必须降低壳的形成温度，在③-④中，必须更高。在P-SI壳的情况下，添加Diborane（B2H6）气体（位置控制的掺杂）的效果会促进SIH4气体的分解，从而将壳的形成温度降低至700°C。另一方面，I-GE壳能够将生长温度进一步降低至500°C，这解决了相互扩散的问题，并成功地得出了可以维持高结晶度的最佳条件。对于核心纳米线模型，B（一种受体杂质）在SI的各个地点引入了受体杂质，并且正在对杂质的热力学稳定性，扩散能能障碍的位置依赖性以及界面依赖性进行大规模的第一原理计算。