【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】15360159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヘテロ構造 / フッ化カルシウム / フッ化カドミウム / シリコン基板 / 量子効果デバイス / 共鳴トンネルダイオード / サブバンド間遷移レーザ / 不揮発メモリ / シリコン / エピタキシャル成長 / 共鳴トンネル構造 / 量子カスケードレーザ / コバルトシリサイド / 微細加工 / 弗化カルシウム / 弗化カドミウム / 微分負性抵抗 / サブバンド / 微小孔 / ローカルエピタキシー

【研究成果の概要】

本研究では、絶縁体、半導体および金属をも包含する異種材料同士をナノメートル層厚でエピタキシャル積層した人工ヘテロ構造(≡超ヘテロナノ結晶)を次世代の新機能エレクトロニクス材料と位置付け、シリコン基板上にエピタキシャル成長可能な弗化物系絶縁物、半導体シリコン、およびシリサド系金属のエピタキシャル超格子の形成技法と、その量子効果デバイスへの応用を目指した研究を行い、下記の研究成果を得た。
1)フッ化カドミウム・フッ化カルシウムヘテロ超格子構造を、原子レベルで均一に形成するための基板平坦化技術を開発し、その技術を用いて近赤外波長領域で発光することが期待される量子井戸サブバンド間遷移発光素子を設計・製作したところ、波長1.6μm付近の発光を室温観測することに初めて成功した。また、今回の成果をレーザ発振へ結びつけるための光導波路構造形成プロセスを、ドライエッチングとフォトリソグラフィーを用いて開発した。今後多層超格子を形成し、レーザ素子の評価を行う。
2)LSI集積技術の中核となるシリコン(100)基板上に、本研究で提案する微小孔結晶成長法と、成長後のアニール技術を併用することにより、高い微分負性抵抗(>10^5)を有するフッ化カドミウム・フッ化カルシウム共鳴トンネルダイオード(RTD)構造のデモンストレーションに初めて成功した。この成果を受けて、今回実現したRTDをMOSトランジスタと集積する新不揮発メモリを提案するとともに、その作製プロセスの要素技術を確立した。今後、トランジスタ構造の作製と特性の評価を進める予定である。
3)シリコン基板に格子整合する可能性を有するベリリウム・亜鉛・セレン化合物ヘテロ構造をガリウム燐基板上に結晶成長する技術を開発し、紫外線(波長〜325nm)の光励起レーザ発振を初めて達成した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】14,500千円 (直接経費: 14,500千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】13650336 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化亜鉛 / シリコン / 弗化カルシウム / エピタキシャル成長 / 紫外線発光 / 同時ドーピング / スパッタ法 / ヘテロエピタキシー / 紫外発光 / アクセプタ

【研究成果の概要】

本研究では、次世代の光・電子融合集積システムの基盤となる材料として、シリコン基板上にエピタキシャル成長可能な弗化物系化合物弗化カルシウム(CaF_2)ならびに直接遷移型ワイドギャップ半導体酸化亜鉛(ZnO)およびBeZnSeで構成される人工ヘテロ構造を提案し、この材料構成を用いたナノメートルサイズの人工単結晶ヘテロ構造の創製と、その量子構造制御によるフォトニクス素子への応用,特に紫外線レーザを視野に含む発光素子への応用に関する研究を目的として研究を行なった。本年度は以下の研究成果を得た。
1)ZnO結晶品質の向上を目的として、酸素欠損欠陥を低減させるため酸素雰囲気中での高温(900〜1100℃)アニールを試みたところ,フォトルミネッセンス測定において、バンド端エキシトンからの発光ピークがアニール前の100倍以上にも向上し、良好な紫外線発光を示す結晶が得られた。
2)ホール注入層に用いるためのp型ZnOの実現を目指した不純物ドーピングによる伝導性制御の研究を行った。まず、p型化を困難にしているアクセプタの低活性化率、低固溶限を克服するため、第一原理計算を用いた理論予測を参考に、Ga(ドナー)とN(アクセプタ)の同時ドーピングを試みた。ターゲットとして酸化ガリウム+酸化亜鉛、スパッタガスとして2酸化窒素を用いて成長温度、スパッタ電力等の依存性を調べた結果、10^<20>〜10^<21>cm^<-3>の高濃度のNアクセプタがドーピングされていることが確認された。
3)シリコン基板上に形成されたエピタキシャル弗化カルシウム(CaF_2)と、紫外線発光ワイドギャップ直接遷移型混晶半導体BeZnSeのヘテロエピタキシャル成長を試みたところ、基板温度250℃でエピタキシャル成長することが確認された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】11650315 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化亜鉛 / シリコン / 弗化カルシウム / エピタキシャル成長 / 紫外線発光 / 同時ドーピング / スパッタ法 / 絶縁体半導体ヘテロ構造 / ナノクリスタルシリコン / 量子閉じこめ効果 / フォトルミネッセンス / 電流注入発光

【研究成果の概要】

本研究は、シリコン基板上にエピタキシャル結晶形成可能な絶縁体及び半導体超格子を用いた発光・受光デバイスを実現するための基礎研究として、これまで報告者らにより実現されたシリコン基板上へのナノクリスタル酸化亜鉛(ZnO)/弗化カルシウム(CaF_2)ヘテロ構造形成技術を確立し、さらに、その新しい材料系の光物性を明らかにするとともに、発光素子応用への基礎となる実験的・理論的研究を目的とする。この目的を達成するため、以下の成果を得た。
酸化亜鉛(ZnO)は約3.3eVのワイドバンドギャップを持つ直接遷移型半導体であることから、短波長、高効率の紫外域発光材料として期待されている。これまでに、シリコン基板上にエピタキシャル成長可能な弗化物系絶縁物弗化カルシウム(CaF_2)中にZnOのナノクリスタルの埋め込み構造が形成可能であることを初めて見出し、さらに、CaF_2をエネルギー障壁とするトンネル電流注入構造による発光を確認した。しかし価電子帯側の大きなエネルギー障壁が存在するため、ホールの注入が困難であり、わずかな発光しか得られない問題があった。そこで、本研究では以下の2つの観点で研究を行った。すなわち、1)ZnO結晶品質の向上、および2)ホール注入層に用いるためのp型ZnOの実現を目指した不純物ドーピングによる伝導性制御、の2点である。まず、ZnO結晶品質の向上を目的として、酸素欠損欠陥を低減させるため酸素雰囲気中での高温(900〜1100℃)アニールを試みたところ,フォトルミネッセンス測定において、バンド端エキシトンからの発光ピークが100倍以上向上し、良好な紫外線発光を示す結晶が得られた。また、ZnOのp型化に関しては,p型化を困難にしているアクセプタの低活性化率、低固溶限を克服するため、第一原理計算を用いた理論予測を参考に、Ga(ドナー)とN(アクセプタ)の同時ドーピングを試みた。ターゲットとして酸化ガリウム+酸化亜鉛、スパッタガスとして2酸化窒素を用いて成長温度、スパッタ電力等の依存性を調べた結果、10^<20>〜10^<21>cm^<-3>の高濃度のNアクセプタがドーピングされていることが確認された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】03452179 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超高速電子デバイス / 金属・絶縁体ヘテロ接合 / エピタキシャル成長 / 金属シリサイド / 弗化物絶縁体 / 共鳴トンネルダイオード / ホットエレクトロントランジスタ / 共鳴トンネルトランジスタ / 金属・絶縁体極薄膜ヘテロ構造 / 弗化カルシウム / コバルトシリサイド / Si基板上結晶成長 / イオンビ-ムエピタキシ- / 超高速三端子電子デバイス / 電子波デバイス

【研究成果の概要】

本研究は、金属・絶縁体を用いた超高速電子素子を実現するための基礎研究として、原子層オーダーの金属・絶縁体超格子の物性に関する理論的・実験的な学問的基礎を確立するとともに、これを用いた超高速電子素子を形成し、その基礎特性を明らかにすることを目的とし、本年度は以下に述べる研究成果を得た。
金属・絶縁体極薄層を用いた新しい量子効果超高速デバイスを提案し、その実現のため、コバルトシリサイドおよび弗化カルシウムからなる金属・絶縁体極薄ヘテロ多重層の結晶成長技術を確立し、提案したデバイスの要素となる金属・絶縁体共鳴トンネルダイオードおよびホットエレクトロントランジスタの基本的動作をはじめて達成した。さらに、提案したデバイスの実現に必要不可欠となる金属・絶縁体量子井戸構造における共鳴準位の構造依存性を明らかにするとともに、共鳴トンネルトランジスタを試作し、そのトランジスタ動作を達成した。
金属・絶縁体量子井戸の共鳴準位の構造依存性は、3重障壁共鳴トンネルダイオードの微分負性抵抗特性の井戸幅依存性を、実験と理論で比較することにより明らかにした。井戸幅が数〜十数原子層厚における微分負性抵抗特性の実験結果は、共鳴点電圧の井戸幅による変化および観測される共鳴の個数に関して、自由電子質量を用いた共鳴準位の理論計算とほぼ一致し、これにより金属極薄膜中の共鳴準位の理論的予測と設計が可能になった。また、共鳴トンネルトランジスタでは、絶縁体中の金属極薄膜層からのベース電極取り出しを主とするデバイス形成技術の確立により、温度77Kにおいて、この材料系では初めての微分負性抵抗を伴うトランジスタ動作を達成した。以上の成果により、金属・絶縁体を用いた量子効果超高速三端子素子を実現するために必要な理論的・実験的基礎が得られた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1993

【配分額】6,500千円 (直接経費: 6,500千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】63420035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子デバイス / 金属 / 絶縁体 / エピタキシャル成長 / 超格子 / イオン化クラスタビ-ム / 弗化カルシウム / 金属シリサイド / 超高速応答 / シリサイド系金属 / イオン化クラスタービーム結晶成長

【研究成果の概要】

本研究は、金属・絶縁体極薄膜多層構造を用いた超高速応答可能な三端子素子を実現するための基礎研究として、金属・絶縁体極薄膜および超格子による人工半導体を試作し、その物性に関する学問的基礎を確立すること、およびこれを用いたデバイスの基礎特性を明らかにすることを目的として行い、以下に述べる成果を得た。
金属・絶縁体極薄膜積層構造を用いる三端子電子デバイスとして、金属と絶縁体界面の急峻なポテンシャル差によって生じる電子波の干渉効果を利用したデバイスを提案し、小さな動作電流密度でもTHz程度の応答速度が可能なことを理論的に示した。また、金属・絶縁体超格子のエネルギ-バンド構造を、理論的に明らかにした。
金属・絶縁体結晶材料として、シリコン基板に格子定数が近いコバルトシリサイド(CoSi_2)および弗化カリシウム(CaF_2)を選び、イオン化クラスタビ-ム結晶成長法を用いて、シリコン基板上に極薄膜単結晶層を成長した。絶縁体上では凝集が起こりやすく薄膜単結晶成長が通常極めて困難なコバルトシリサイドに対して、シリコンとコバルトに二段階成長、シリコンビ-ムのイオン化加速、コバルトの固相拡散を駆使することにより、厚さ数ナノメ-トルの平担な単結晶極薄層を得る成長法を確立した。この方法を用いて平担で結晶性のよい金属・絶縁体超格子の成長を達成した。
三端子デバイス形成に必要な、金属・絶縁体多重層の選択化学エッチング条件を明らかにし、これを用いて金属・絶縁体多層構造中の金属層の電気抵抗を測定し、厚さ2ナノメ-トルの極薄層においても抵抗率70μΩcmと小さく、超高速電子デバイスに有望であるこてを示した。
以上の成果によリ、金属・絶縁体極薄膜多過構造を用いた超高速電子デバイスの可能性が示され、実現に必要不可欠な基礎的知見が得られた。

【研究種目】一般研究(A)

【研究期間】1988 - 1990

【配分額】46,500千円 (直接経費: 46,500千円)