シリコンフォノニックアトム・分子・結晶の創製と機能探索

硅声子原子、分子和晶体的创造和功能探索

基本信息

批准号：
18656094
负责人：
水田博
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

電子線描画とNEMSプロセスを組み合わせることで、厚さ・幅が約50nmのサスペンデッド細線チャネル上に、電子・フォノン閉じ込めのためナノキャビティ構造を作製するプロセスを開発した。具体的には、高濃度ドープの極薄SOI基板に、電子線描画と異方性ドライエッチングによりナノブリッジチャネルと、単一および多重キャビティ構造、さらにサイドゲートをパターニングした後、ウェットエッチングによりブリッジ下の酸化膜を除去し、シリコンナノブリッジ上にサスペンデッドフォノンキャビティを形成した。このナノナノキャビティ素子を流れる電流のサイドゲート電圧依存性を、4.2K〜室温領域で評価した結果、明瞭なクーロン電流振動が200K程度の高温まで観測されることを見出した。また、第一原理計算プログラムSIESTAとフォノン解析プログラムVIBRAを組み合わせることで、シリコンナノ構造中でのフォノン(ナノフォノン)の状態解明を試みた。ターゲットとして、極薄Si層が酸化膜に挟まれたアコースティックヘテロ構造を取り上げ、東工大のグリッドコンピュータTSUBAMEを用いた大規模並列計算を行うことで、この超構造を構成するブロックとなるSiO_2(α-cristobalite)と、Si極薄膜におけるフォノン分散関係の計算を行った。その結果、Si極薄膜構造では、(1)[110]方向においてフォノンバンドギャップが形成されること、(2)Γ点付近での音響フォノンのソフトニングが現れること、(3)音響フォノンの最も下のブランチがkの2次に比例していること、が見出された。計算結果を詳細に分析した結果、(1)のフォノンバンドギャップは薄膜表面に構成されたシリコンダイマー周期構造に起因していることを解明し。また、(2)と(3)については超薄膜の振動に対する表面効果に起因していることを明らかにした。

通过将电子束图和NEMS过程相结合，我们开发了一个工艺，用于在悬浮的细线通道上制造电子和声子限制的纳米腔结构，厚度约为50 nm。具体而言，在高度掺杂的超薄超薄SOI底物上，纳米架通道，单腔和多个空腔结构以及侧门是通过电子束图和各向异性干燥蚀刻蚀刻的图案，然后湿蚀刻将氧化物在桥下的氧化物膜中移除，形成硅nanobridge上的悬浮液腔。评估了流过纳米腔元件的电流的侧门电压的依赖性在4.2K到室温的范围内进行了评估，发现观察到明显的库仑电流振动是约200K左右的高温。此外，通过将第一个原理计算程序Siesta和Phonon分析程序VIBRA结合起来，我们试图阐明硅纳米结构中的声子（纳米光子）的状态。作为目标，我们进行了一个声学异质结构，其中将超薄的Si层夹在氧化物膜之间，并使用Tokeo Tech的网格计算机tsubame进行了大规模平行计算，并计算了声子分散关系的超薄sio_2（α-cristobalite）的超薄薄sio_2（α-cristobalite），这是该构建的群组。结果，发现在超薄的Si膜结构中，声子隙朝向（1）[110] [110]，（2）声音声子的软化出现在γ点附近，并且（3）声子的最低分支与k的第二阶相比成比例。在对计算结果进行详细分析后，发现（1）中的声子隙是由于薄膜表面上形成的周期性硅二聚体结构所致。此外，揭示（2）和（3）是由表面对超薄膜振动的影响引起的。