金 属 /絶 縁体 ヘ テ ロ構造 を用 いた高速 B多 機能 電子 デ バ イ スの 基礎研究 東京 工 業大学 大学院総合理 工 学研究科 教 授 浅 田雅洋 があげ られ る[311]。 これ らは接合界面 の伝 1.は じめ に 導 帯 バ ン ド不連続 がそ れ ぞれ 16eV,2.9eV, 集積 回路 の高密度化 。高速化 のため、デバ イ ス を極 微細化す る研 究 が盛 んに行 われて い る。 また、一 方 では極微細量子効果 デ バ イ ス に生 じる微分負性抵抗 な どの特性 を利用 して 、 複雑 な回路 を簡単化 して高速化 ・高密度化 を はか る研 究 も行 われて い る。我 々 は、 これ ら 2つ の方法 を同時 に取 り入れ る方法 として 、 シ リコン (Si)基板 上で格子整合す る金属/絶 縁体 ヘ テ ロ接合 を用 い た量子 効果デバ イ ス を 提案 して きた。 金属 は半導体 に比 べ 高 キ ャ リア濃度 であ り、 また絶縁体 は半導体 に比 ベ ー般 に誘電率 が低 い ため、デ バ イ スお よび回路 の極微小化 に有 利 である。 さらに、金属/絶 縁体ヘ テ ロ界面 の非常に大 きなバ ン ド不連続 (∼10eV)の た めに、極薄膜多層構造 を形成 した場合 、電子 波 の大 きな反射 ・共 鳴 によ り、顕著 な量子効 果 を示す こ とが期待 され る。 この特性 を利用 す ることによ り、微分負性抵抗 な どに よる多 機能動作 を行 う量子効果デ バ イ ス を、Si基 板 上で通常 の MOSFETと集積す る ことに よ り、 機 ・ 能的な高密度 高速 の集積 回路が可能 となる。 量子効果素子 を Si基 板 上 に実現す るため には 、Si基 板 上 にヘ テ ロエ ピタキシ ャル成長 2.3eVと 非常 に大 きい ため、室温 にお い て も 極 めて顕著 な微分負性抵抗 を示す共鳴 トンネ ル デ バ イ スの実現が期待 され る。我 々 は これ よび CaF2 CdF2の までに CoSi2 CaF2お 共鳴 ト ンネル構造 の結晶成長 を行 い 、微分負性抵抗 特性 を報告 してきたが 、 これ らの構造では、 エ ネル ギー 障壁 となる CaF2の層厚 が lnm柱度 と薄 い ため、 ピンホー ル 等 の欠陥による リー ク電流の影響 を受 けやす い ことが欠点 とな っ てい た。 本研 究では、 リー ク電流抑制 のため、CaF2 薄膜 の ピンホー ル密度 を低減 させ るための結 CaF2及 び 晶 成 長 技 術 の 改 善 を行 い 、 Si― CdF2 CaF2二 重 障壁 共 鳴 トンネ ル ダイオ ー ド (DBRTD)を 用 い た微 分負性抵抗 特性 の評価 を にいて 、 行 つた ところ、特 に C a F 2 C d F 2 R T Dお 半導体材料 ではお よそ不可能 な、室温 で 1 0 5 を超 える ピー クーバ レー比 を得 た。 ここで は、 Si一 C a F 2 及び C a F 2 C d F 2 結 晶成長 と、各 々の材 料 で構成 した共 鳴 トンネル ダイオー ドの微分 負性抵抗特性 につい て報告す る。 2.材 料構 成 る程度大 きな材料構成 を選択す ることが必要 本研 究で用 い た材料 のバ ン ドプ ロフ ァイル を F i g . 1 に示す。 エネ ル ギー 障壁 として用 い この条件 を満 たす材料系 として である [1,2]。 る C a F 2 は立方 晶蛍石構造 で S i と の格子定数 C O S i 2 C a F 2 ( 金 属 ―絶 縁 体 ) お 差は室温で+ 0 . 6 % であ り、S i 基 板 上 にエ ピタ 可能 で しか も伝 導帯 バ ン ド不連続 (△ Ec)があ よび CaF2 CdF2 ( 絶縁体一絶縁体) S i ―C a F 2 ( 半導体―絶縁体) キシ ャル成長 が可能 である。また 、1 2 e V の禁 -14- CdF2 CaF2 制帯幅 をもつ ため、高耐圧 を要求 され る共 鳴 トンネル デ バ イ スのエ ネル ギー 障壁材料 とし て有利 である と考 え られ る。 C d F 2 は禁制帯幅 8 e V の 弗化物 系絶縁体 であ り、室温 における C a F 2 との格子不整合 は- 0 . 8 % で、C a F 2 とヘ テ ロ 接合形成 が可能である。 ヘ テ ロ接合界面にお 12.leV け る伝 導 帯 バ ン ド不連続 ( 泌E c ) は、S i C a F 2 間 2 . 9 e V である。 間 で約 2 . 3 e V , C d F 2 C a F 2で約 Ev 3.素 子構造 CaF2,CaF2 CdF2二 本研 究で作製 した Si一 重 障壁 共鳴 トンネル ダイオー ドのバ ン ドプ ロフ 3) ノミンドプ ロファイル Fig.l CdF2 CaF2 Siの ァイ ル を Fig,2(a),(b)に示す。 どち らの構造 にお い て も電子 は nttsi(111)基板側 か ら注 入 され、2つ の CaF2エネル ギー 障壁 で挟 まれ た Siま たは CdF2量子丼戸 中を共鳴 トンネ ル す ることによ り、電流電圧特性 には室温 にお い て も顕著 な微分負性抵抗特性 が期待 され る。 エ ネ ル ギー 障壁 が 2.9eVと 高 い ため、非共 鳴 時 の OFF電 流 を小 さく抑 えることが可能 で 、 極 めて大 きな ピー クーバ レー 比 (P/V比 )が期 S卜CaF2 RTDttt,色 (b)CaF2 CdF2 CaF2 RTD弔 研色 (a)CaF2‐ 待 で きる。例 えば、Fig.2(b)の構造では、超 格子 内部 にお ける電子散乱 とリー ク電流 を考 慮 しない場合 、105を超 える P/V比 が理 論的に 予想 され る。 Fig.2 ロ ジー の差異 を原 子 間力顕微鏡 ( A F M ) を 用い に て評価 した結果 を F i g . 4 ( a ) , ( b )示す。 これ らの 図 は 、 S i ( 1 1 1板 ) 基 ( o f f 角 約 0.1° )の基板上 に 3分 子層 の CaF2を基 板温度 700℃で蒸着 した試 料 を、大気 中 AFM 4.結 晶成 長 Si,CaF2,CdF2の 結 晶 成 長 は 、分 子 線 エ ピタ にて表面観祭 を行 つた もので ある。イ オ ン化 を行 わ な い場 合 に比 べ 、イ オ ン化 を行 うと キ シ ー ( M B E ) 法と C a F 2 の イ オ ン ビー ム 支 援 エ ピ タ キ シ ー を組 み 合 わせ た方 法 を研 究 して い CaF2薄膜 の Si表 面 を被覆す る割合が向上す る結果が得 られてい る。 一 方、最上層 の CaF2 る。結晶成長装置 の概略図を Fig。 3に 示す。 ー 各材料 の 分子線 は国体 ソ スの加熱溶 融/昇 は CdF2量子丼戸上、あるい は Si上 に形成 さ れ るが、この場合 は成長基板温度 が 50100℃ 華 に よ り供 給 され、特に CaF2に関 しては、適 時必要 に応 じてイオ ン化 ・ カロ 速 を行 って い る。 程度 とCaF2の適 正 な結晶成長温度 よ りも低 い ため、マ イ グ レー シ ョンエ ネ ル ギー の支援 と Si基 板表面第 1層 に形 成す るCaF2層につい て CaF2界面 の結合 を促進 して ピンホール は、Si― 平 坦性 向上 の ためイオン化 した CaF2を 500V ・ で加 速 して供給す る。基板 は抵抗率 4m Ω cm 密度 を低減す るためCaF2分子線 を電子衝撃 に よ り数%イオ ン化 して供給す る。CaF2の電子衝 の低抵抗 nttsi(111)0.1° off基 板 を用 い 、 有機洗浄、RCA洗 浄 の後、超高真空装置 へ搬 撃 を行 った場合 と行 わない場合 の表面モ フォ 入す る。 - 1 5 - て も明陳な微分負 性抵抗 が観測 され、井戸幅 に依存 して共鳴 バ イ ア ス電圧 が変化す る。井 戸幅 3.7nmの試料では、井戸幅 の増加 による ー 共鳴準位 の低下 を反映 した第 2の ピ クが観 ー 察 されて い る。共鳴 ピ ク電圧 の井戸幅依存 性 を示 した Fig.7で は、理論的 に予想 され る 一 共鳴 バ イア ス電圧 と良 く 致 して い る。 CaF2 1・8nm Fig.3結晶成長 装置概 略 図 3.7n向 Sl‐ 日日 陽 圏 日 ■ 口 800 600 F24.8nm ｍ 400 ゴ iた彗￨百1 n十― Si sub !==キ■￨=!■￨ 才 ■十 200 400 600 8001∞ 0 Fig.5 (b)イ オン化あり Rg.4 CaF2 R断T 面 D のT E M 格 Si 子像 (a)2.8nm口thick Si We‖ 表A F M 像 1 n m 層 厚 C a F 2 / S ( 1 1 1 )面 500‖s puiSed e)RT 岳 とコｏ ぐｅ ギ 5`実 験 結 果 と考 察 ０ ２ 5-1.CaF2 Sに 重 障 壁 共 鳴 トンネ ル ダ イオ ー ド CaF2上へ の Si薄 膜形成 は、膜 の平坦性 を最 ー ト約 優 先 して 基 板 温 度 50℃ ,蒸 着 レ PⅣ 0,01nm/secで堆積 した。堆積後、N2(5%H2)雰 ー 囲気 中で 600℃,10minの ア ニ ル を行 う。ア ニ ー ル 後 の試 料 の 断面透過電子顕微鏡 (TEM) o o〓 31 ra何 1 Voltage oの ( b ) 3 . 7 tn hr in c―k 格子像 を Fig.5に示す [12]。各層 のヘ テ ロ接 2 Si VVell 500μs puiSed(DR.T CaF2バリアは非晶質である。本試料 に Au電 極 ０ ２ 下層 の CaF2は単結晶 であることが確認 できる。 一 方 、低温 で堆 積 した Si量 子丼戸及 び最上層 Ｄ ５﹂ ﹂ ｏ ぞｅ 一 合界面 が 明瞭 に観察 され、Si基 板 に接す る最 loo μ (100 μ m)をマス ク蒸着 し、室温 にお い m× て 測 定 した 電 流 電 圧 特 性 を Fig.6に 示 す ((a)Si量 子 丼 戸 層 厚 Wsi=2.8nm,(b)Wsi= 3.7nm,500 μ sパル ス電圧 印加)。室温 にお い Ptt ratio〓 O vdtと ge )Ⅳ 2 室温微 分負性抵 抗特性 耐g.6 CaF2 Si RTDの - 1 6 - 本結果 は T E M 観 察上 は非晶質 に見 える S i 四 18Hm" 薄膜 中で も電子波 の共 鳴 トンネル伝導 が可能 であることを示 唆す るもの である。 Si02 fOrmatton EB4欝 raphy 鷺 ソ 叡 ぺ♂ Metal formatton 2 > o l.5 D 何 = O > 1 ヽ 0 a n ぶ C せ 0.5 Electorode ヨ 0 0 2 3 4 Si―weli width D(nm) Fig.7 CaF2‐ S i RTDの室温微 分負性抵抗特性 F i g . 8 C d F 2 C a F 2 R T D の 作 製 プ ロセ ス 3 10‐ 5 - 2 t C d F 2 C a F重障壁共 2二 鳴 トンネル ー ダイオ ド C a F 2 C d F 2 C a F 2 S i ( 1 1造 1 )中 構の 、C d F 2 量子 井 戸 層 は 基 板 温 度 50℃ 、 堆 積 レ ー ト 0,01nm/secの条件で MBE法 によ り堆積 し、単 結晶薄膜 を得 る。 ピンホール密度 の低 い、良 1 04∼ て 10-5 ご 10-6 R.T. P/v=105 質 な単結晶薄膜 を得 るには、Fの 解離 によ り 生成す る Cdの 再入射 によるエ ピタキシ ャル 成長 阻害 を避 ける配慮 が必 要 である。結晶成 長後 の試料 を電子 ビー ム リソグラ フ ィー を用 い た加 エプ ロセ ス (Fig.8)を 用 い て 、 メサ径 18μ mφの測定用素子 を作製 した。 この素子 の電流電圧特性 の一例 を Fig.9に示 10 1 0 この素子ではバ イア ス電圧 lV付 近 で極 めて 顕著な微分負性抵抗 が観測 され 、 リー ク電流 1 0 ン した結果 を示す。 この計算 は電子 の散乱や 膜厚 の揺 らぎ等 を考慮 してい な いが 、 105の P/V比 はそ の計算結果 か ら得 られ る理論 P/V 比 に迫 るもので ある。電流 ピー クを与 えるバ イア ス電圧 Vpが理論特性 よ りも高電圧側 にシ - 1 7 - 宮ｏ出ＦＯ ［ く ］や 1 0 ‐ を得 てい る。Fig.10にこの素子 の電流電圧特 Tsuの 式 を用 い てシュ ミレー シ ョ 性 を Esaki― 2 Fig,9 CdF2 CaF2 RTDの 室 温微 分負 性 抵 抗 特性 す。測定は室温 、直流 バ イア ス にて行 つた。 が 良 く抑 え られて い るため約 105の高 P/V比 1 Voltage[V] 10 R.T. 18μ mφ 10‐ 10 1 0 ‐ 1 0 1 0 も 0 Fig.10 CdF2 CaF2 RTDの 0.5 1 Voltage[V] V4寺 性 理 論 I― 1.5 ここで得 られた素子 を Si集 積 回路 へ応用 フ トして い るの は 、RTD以 外 の部分 の電圧 降 下、例 えば寄生直列抵抗等 の影響 と考 えてい 11に 示す よ うに、現状 では 105を超 る。Fig。 える P/V比 を示す素子 の割合 は、微分負性抵 抗特性 を示す素子 中の鞠 程度 であるが 、これ は CaF2薄膜 に形 成 され る ピンホール 等 の欠陥 して ゆ くた めには、P/V比 の高 さのみな らず 、 多数 の素子間 での電流電圧特性 の均 一化 が重 要な課題 であ り、現在 Si基 板表面 の原子 レベ ル の均 一性制御 と、そ の制御 され た表 面 上ヘ の超格子形成技術 の精密化 に取 り組 んでいる。 を減少 させ ることによ リリー ク電 流 を制御す れ ば高 P/V tt NDR特 性 の均 一化 は可能 と考 え 実際に多機能集積 回路 の動作 を示す ことも重 てい る。 ここに得 られ た 高 P/V比 特性 は、 要な課題 であ り、現在、 これ らの量子効果素 Valley電 流 が きわ めて低 く抑 え られ てい る 子 との集積 に適 した構造 の MOSFETの 作製や ことに よ り達成 され た もの で 、 これ は、構成 極短チ ャネ ル 化、お よび集積構造形成 プ ロセ 材料 として 単結晶絶縁体 を用 い て い ることが スの確 立 に取 り組 んでい る。 また、これ らの素子 を通常 の MOSFETと 集積 し、 大 き く寄与 してい るもの と考 えて い る。 参考文献 6.結 論 Si基 板 上 にエ ピ タキシ ャル 成長 可能 な材料 を用 い たヘ テ ロ接 合 として 、Si一 CaF2および C d F 2 C a F 2 の2 通 り の 組 み 合 わ せ に つ い て 、鵬 E [1]恥 た SaitOh,K.Yamazaki.,M.Asada and M. Watanabei Jpno J. Appl. Phys., 35 (1996) 1104. l Saitoh, M. [2]Y Aokt, J.Nishiyama, ヽ Watanabe and Wl. Asada: The 44th Spring 法 とイオ ンビー ム を組み合 わせ た手法 を用 い ヽなeeting of The Jpno Soc.of Appl.Phys.and Related Societies,March,30atA3,1997. [3]N.S.SokoloL N.N.Faleev9 S.V Gastevj L.YakovleL A.Izumi and K,Tsutsuit J. P/V ratlo histogram ぷ Ｙ岩 Ｅコｚ ︵ Sci.Technol.A,13(1995)2703. [4]A.Izumi K.Tsutsut N.S,SokoloL N.N. FaleeL S.V GasteL St Wl NovikoL and N. L.Yakoviev:J.Cryst.Growth,150(1995) 1115. [5]M.Watanabe,W.Stttoh,Y Aoki and J. Nishiyamai Solid State Electronics, 42 P/V ratio (1998)1627. [6]N.S.SokoloL S.V GasteL S.V Novikov, N.L.Yakovlev9 A.Izumi and S.Furukawa: Fig.1l P/Vル ヒヒストグラム Appl.Phys.Lett.,64(1994)2964. て原子層 レベ ル で急峻なヘ テ ロ界面 と電極面 内で十分均 一 な二重障壁共鳴 トンネル ダイオ ー ド構造 を作製 し 、微分負性抵抗特性 の評価 を行 った。 Si一 CaF2ヽCdF2 CaF2 RTD両 者 にお い て室温 にお ける微分負性抵抗 を観測 し、特 に CaF2 CdF2 RTDに て 、室温で 105を超 え お Vヽ る ピー クーバ レー 比 を得た。 これ は Si基 板上 量子効果素子 の可能性 に新 たな局面を開 く結 果 である と考 えて い る。 [7]R.I Poole and D.R.Willlami Chem.Phys. Lett.,36(1975)401. M.Wolf and D.Gedた [8]D.Shanarabnち Phys,Chem.Sollds,37(1976)577. hi J. [9]M,Watanabe,T,Suemasu,S.Muratake and M.Asada:Appl.Phys,Lett,,62(1993)300. [10]A.Izumi,N,Matsubara,y Kushida,K. Tsutsui and N. S. Sokolov: Jpn. J. Appl. Phys.,36(1997)1849. [11]M.Watanabe,Y Aokl,W.Sattoh and M. T s u g a n e z av 、 a:Jpn,J.Appl.Phys.,38,(1999) Ll16 - 1 8 - and M.Asada [12]M.TsutSui,M.Watanabeゥ Jpn.J.Appl.Phys.,38(1999)L920 [7]M.Asadtt K.Osada, and W.Stttoh, “ Theoretical analysis and fabrication of small area meta1/insulatOr resonant tunnering diOde integrated with patch anteIIna for terahertz ' SOlid State photon ttsisted tunnelingず Electton.,vol.42,pp.1543-1546(1998). 本 研 究 に 関す る発表論 文 [1]M.Watanabe,Y.Iketani,and M.Asada, “ Epitaxial growth and electrical characteristics of CaF2/Si /CaF2 reSOnant tunneling diode stttcttres grown on Si(111) 1°off substrater)Japan. J. Appl. Phys., vol.39,no.10A,pp.L964-L967(2000). A [2]A.Itoh,M.Saitoh,and M.Asada,“ 25‐nm-long channel metal― gate p― type Schottky source/drain MOsFET on SOI ' Japan. J. Appl. Phys., vol.39, substtateダ no.8,pp.4757-4758(2000). E l e c t t o n , v o l . 4 2 , p p . 1 5 4175‐ 51(1998). [9]Y.Miyamoto,A.Yamaguchi,K.Oshima,W. Saitoh,and A江 .Asada)``NItIS emitter with epitaxial CaF2 1ayer as insulator,"J.Vac. Sci.Technol.vol.B16,pp.851-854(1998). [10]W.Saitohゥ Itoh, and A江 [3]W.SaitOh,A.Itoh,S.Yamagami,and M. Asada,“ Analysis of short‐channel Schottky K.Yamazaki,M.Tsutsui,A. . Asada, “ Fabrication and characteristics of a fleld effect transistor using CdF2/CaF2 heterostructures on Si source/drain WIOSFET on SOI substrate and demonsttation of sub-50mm n‐ [8]M.TsutSui,W.Saitoh,K.Yamazakt and M. Asad乳 ``Proposal and analysis of coupled channel tumeling FET with new ' SOlid State heterostructtres on siliconデ substrate," Japan. J. Appl. Phys., vol.37, type devices 'Japan.J.Appl.Phys,,vol.38, with inetal gateず no.11,pp.6226-6231(1999). pp.Ll138-Ll140(1998). [11〕Wo Saitoh,K.Yamazaki,M.Tsutsui,and ヽ在. [4]M.Tsutsui,M.Watanabe,and M.Asad亀 “ Resonant tunneling diodes in Si/CaF2 Asada, “ Analysis of structtre dependence of very short channel fleld effect ttansistor using vertical ttnneling heterostructtres grown by molecular beam ' Japan. J. Appl. Phys., vOl.38, epitaxyず no.8B,pp.L920‐ L922(1999) with hetero― structures on silicon,"IEICE Trans. Electron., vol.E81-C, pp.1918‐ 1925 (1998). [5]W.Saitoh,S.Yamagami,A.Itoh,and IM. W.Saitoh,K.Yamazaki)M.Tsutsuiゥ [12〕 and A s a d a , ` ` 3 5 n m m e tt ay lp e g am te et a p1 ― 0 x i d e ヽ在. Asada, “Analysis of the inauence of seHliconductor fleld‐ effect transistor with canrier scatering in the channel of a PtSi SchOttky source/drain on separation by meta1/insulator ttnneling fleld effect iinplanted oxygen substrater'Japan.J.Appl. Phys.,v01.38,no.6A,pp.L629-L631(1999). ' Japan. J. Appl. Physt, vol.37, transistorず pp.5921‐5925(1998). [ 6 ] N . K i k e g a w a , B . Z h a n g , Y . I k e d a , N . S a k a i , [13〕 W.SaitOh,K.Mori,H.Sugiura,T. K.Furuya,MI.Asada,M.Watanabe,and W. ヽ在amyama, ふ 江。Watanabe, and ふ 江. Asada, “ Reduction of electrical resistance of Saitoh, ``Detection Time Shortening for Observation of HOt ElectrOn Spatial nanometer― thick CoSi2 flim On CaF2 by Disttibution by Scanning HOt ElectrOn pseudomotthiC growth Of CaF2 0n Si(111)," Japan.J.Appl.Phys.,vol.36,pp.4470-4471 MicroscopP,"Japan. J. Appl. Phys, vol,38, no。 4A,pp.2108‐ 2113(1999). (1997). -19-
© Copyright 2024 ExpyDoc
