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。

随着大规模集成电路（LSI）器件的显着小型化，Si MOSFET 的短沟道效应已成为一个问题。另一方面，使用截面尺寸为数纳米至数十纳米的Si细线作为沟道的Si细线MOSFET由于能够抑制短沟道效应而受到关注。在硅细线中，由于量子限域效应，能带结构被分裂成子带，电子态与块体中的电子态显着不同。因此，需要详细了解量子限制效应对载流子传输的影响。在这项研究中，我们在绝缘体上硅 (SOI) 基板上制造了直径为 7.5 nm 的硅线 MOSFET。通过氢气退火使Si细线的表面和形状变得平滑。在源极和漏极中均形成n^+和p^+区域，以实现n和p沟道操作，并且观察到同一细线内的电子传输和空穴传输。在低温（8K）下，所制造的MOSFET的跨导（gm）相对于栅极电压发生振荡，并且n沟道和p沟道的周期不同。硅细线MOSFET的9m振动现象过去已有报道，并提出了基于细线内态密度振荡引起的迁移率振荡的模型，但验证还不够充分。在这项研究中，在计算机上再现了通过透射电子显微镜获得的细线的横截面形状，并使用强结合近似计算了实际测量导电性能的硅细线的导带和价带结构。方法。利用计算结果，我们假设载流子散射频率与态密度成正比，预测了 gm 的振荡，并将其与实验结果进行了比较。计算和实验表明 n 和 p 通道的振荡周期具有良好的一致性。这一结果有力地支持了由态密度振荡引起的 GM 振荡模型。由于这种振动对应于子带结构，因此预计未来通过将其与更详细的理论分析相结合，它将在输运性质与子带结构之间关系的详细研究中发挥重要作用。