Si・Ge量子細線の構造制御と電気伝導に係る物性解明およびMOSFETへの応用

Si/Ge量子线的结构控制、与导电相关的物理特性的阐明以及在MOSFET中的应用

基本信息

批准号：
11J05847
负责人：
森岡直也
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

大規模集積回路(LSI)における顕著な素子微細化に伴い、Si MOSFETの短チャネル効果が問題となっている。これに対し、断面寸法が数～十数nmのSi細線をチャネルに用いるSi細線MOSFETが短チャネル効果を抑制できるため注目されている。Si細線では、量子閉じ込め効果によりエネルギーバンド構造がサブバンドに分裂し、電子状態がバルクとは大きく異なる。このため、量子閉じ込め効果がキャリヤ輸送に与える影響の詳細な理解が求められている。本研究では、直径7.5nmのSi細線MOSFETをsilicon-on-insulator (SOI)基板上に作製した。Si細線の表面・形状は水素アニールにより平滑化した。ソース・ドレインにn^+・p^+領域の両方を形成してn・pチャネル動作の両方を可能とし、同一の細線内の電子輸送および正孔輸送の両方を観測した。低温(8K)において、作製したMOSFETの相互コンダクタンス(gm)がゲート電圧に対して振動し、その周期はnチャネルとpチャネルで異なった。Si細線MOSFETの9m振動現象は過去にも報告され、細線内の状態密度振動に起因した移動度振動によるモデルが提案されているが、検証が不十分だった。本研究では、透過型電子顕微鏡観察により得た細線の断面形状を計算機上で再現し、伝導特性を実測したSi細線の伝導帯・価電子帯構造を強束縛近似法により計算した。計算結果を用いてキャリヤの散乱頻度が状態密度に比例すると仮定してgmの振動を予測し、実験結果と比較すると、n・pチャネル両方で振動周期が計算と実験でよく一致した。この結果は、状態密度振動に起因したgm振動モデルを強く支持する。本振動はサブバンド構造と対応しているため、今後更に詳細な理論的解析と組み合わせることにより、輸送特性とサブバンド構造の関係性の詳細な研究において重要な役割を担うと期待できる。

随着大型集成电路（LSIS）中设备的显着微型化，SI MOSFET的短通道效应已成为一个问题。相比之下，使用Si细线的Si细丝MOSFET具有几个至数十nm的横截面尺寸的Si细线引起了人们的注意，因为它们可以抑制短通道效应。在Si线中，由于量子限制效应，能带结构分裂为子带，并且电子状态与整体明显不同。因此，需要详细了解量子约束对载体运输的影响。在这项研究中，将7.5 nm的Si薄导线MOSFET在硅启用器（SOI）底物上制成。通过氢退火使Si细丝的表面和形状平滑。两个N^+·P^+区域均在源和排水处形成，以允许N·P通道的运行，并且观察到同一电线内的电子和孔传输。在低温（8K）时，制成的MOSFET的跨导（GM）相对于栅极电压振荡，它们的周期在N和P通道之间有所不同。过去已经报道了SI细丝MOSFET的9m振动现象，并且已经提出了基于薄导线中状态密度的迁移率振动的模型，但验证还不够。在这项研究中，在计算机上复制了通过透射电子显微镜观察获得的薄导线的横截面形状，并使用紧密的结合方法计算了薄SI线的传导带和薄SI电线的变速带结构。使用计算结果，我们预测了GM的振荡，假设载体散射频率与状态密度成正比，并且与实验结果相比，两个N-P通道的振荡周期在计算和实验之间均匹配。由于状态振动的密度，该结果强烈支持GM振动模型。由于这种振动对应于子带结构，因此可以预期，将来将其与更详细的理论分析相结合，它将在详细研究传输属性与子带结构之间关系的详细研究中起重要作用。