次世代集積回路に向けた半導体ナノワイヤにおけるキャリア輸送現象の研究

下一代集成电路半导体纳米线载流子传输现象研究

基本信息

批准号：
15J03785
负责人：
田中一
金额：
$ 2.24万
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：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，昨年度までにGeおよびSiナノワイヤにおけるキャリアの移動度や高電界下でのドリフト速度，さらにナノワイヤMOSFETの特性に対する理論的解析を行った．本年度は，これらの技術的蓄積を活用し，4H-SiCにおけるキャリア輸送，具体的にはp型4H-SiCにおけるHall効果および4H-SiCにおける衝突イオン化現象に関する理論的検討を行った．p型4H-SiCにおけるHall効果に関しては，まず，第一原理計算によって価電子帯のエネルギー-波数分散関係を計算し，これを計算効率の高いk.p摂動法の形で定式化した．このバンド構造を用いて，不純物の不完全イオン化を考慮した正孔密度の温度・アクセプタ密度依存性の計算を行った．また，様々な散乱過程に対する緩和時間を求め，緩和時間近似を用いてドリフト移動度・Hall移動度・Hall因子を計算した．この結果を実験で得られたHall効果測定結果と比較し，実験で得られたHall因子の温度・アクセプタ密度に対する依存性に物理的解釈を与えた．さらに，Hall移動度・ドリフト移動度の温度・アクセプタ密度依存性の経験式を提示した．また，衝突イオン化係数に対する解析としては，第一原理計算により得られたバンド構造から状態密度と平均的な群速度のみの情報を用いて，各エネルギーにおけるフォノン散乱と衝突イオン化の確率を考慮して高電界印加時における分布関数を近似的に計算することで，電子と正孔の衝突イオン化係数を求めた．この手法に基づき，衝突イオン化係数の異方性や温度依存性の解析を行った．実験的に得られた衝突イオン化係数のふるまいを完全に説明するには現時点では至っていないものの，衝突イオン化係数の異方性などの，これまでにはフルバンドモンテカルロ法といった高度な計算手法により解析されていた現象を，簡易な計算モデルである程度記述できることを示した．

在这项研究中，我们去年对Ge和Si纳米线中的载流子迁移率、高电场下的漂移速度以及纳米线MOSFET的特性进行了理论分析。今年，我们利用这些技术积累，开展了4H-SiC中载流子输运的理论研究，特别是p型4H-SiC中的霍尔效应和4H-SiC中的碰撞电离现象的理论研究。针对p型4H-SiC中的霍尔效应，我们首先利用第一性原理计算计算了价带中的能量-波数色散关系，然后将其表述为k.p摄动法，该方法具有较高的计算效率。利用这种能带结构，我们计算了空穴密度对温度和受主密度的依赖性，并考虑了杂质的不完全电离。我们还计算了各种散射过程的弛豫时间，并使用弛豫时间近似计算了漂移迁移率、霍尔迁移率和霍尔因子。将该结果与实验获得的霍尔效应测量结果进行比较，并对实验获得的霍尔因子对温度和受主密度的依赖性给出了物理解释。此外，我们提出了霍尔迁移率和漂移迁移率对温度和受体密度依赖性的经验公式。此外，为了分析碰撞电离系数，我们仅使用通过第一性原理计算获得的能带结构的状态密度和平均群速度信息，并考虑每个能量处的声子散射和碰撞电离的概率。近似计算施加高电场时的分布函数，确定电子和空穴的碰撞电离系数。基于该方法，我们分析了碰撞电离系数的各向异性和温度依赖性。尽管还不可能完全解释通过实验获得的碰撞电离系数的行为，但迄今为止已经进行了许多研究，例如碰撞电离系数的各向异性，这些研究已经使用先进的计算方法进行了分析，例如作为全带蒙特卡罗方法，结果表明可以用简单的计算模型在一定程度上描述以前观察到的现象。