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シリコンおよびポリシリコン構造の電子輸送特性

研究報告コード R000000556
掲載日 2002年9月30日
研究者
  • 水田 博
  • 古田 善一
  • G. Evans
  • 中里 和郎
  • H. Ahmed
研究者所属機関
  • Hitachi Cambridge Laboratory, Hitachi Europe Ltd.
  • Hitachi Cambridge Laboratory, Hitachi Europe Ltd.
  • Microelectronics Research Centre, University of Cambridge
  • Hitachi Cambridge Laboratory, Hitachi Europe Ltd.
  • Microelectronics Research Centre, University of Cambridge
研究機関
  • Hitachi Cambridge Laboratory, Hitachi Europe Ltd.
  • Microelectronics Research Centre, University of Cambridge
報告名称 シリコンおよびポリシリコン構造の電子輸送特性
報告概要 シリコン(Si),薄膜多結晶シリコン〈poly-Si)を用いた量子細線中では,結晶中にランダムに分布したドーパントや結晶粒界による電位障壁により自己形成したナノメーター規模の電子島がクーロンブロッケイド現象に寄与する。しかし,電子島が自己形成するメカニズムや,結晶粒界を介した電気伝導メカニズムの詳細は未だ検証されていない。ここでは,Si及びpoly-Si細線上の電子輸送メカニズムに関する最近の実験及び理論的研究について報告する。薄膜poly-Si中の単一もしくは極少数の結晶粒界を介する電子輸送を詳しく調べるために,結晶粒径と同程度の大きさのポイントコンタクト素子(図1)を作製し,電位障壁の高さを評価した。作製した全素子中,約1/3の素子で非線形電流・電圧特性が見られ,その他の素子では線形電流電圧特性が観測された。これはそれぞれチャネル部分に結晶粒界を含まない,または結晶粒界を含む素子に対応していると考えられる。線形電流・電圧特性が観測された素子は,結晶粒界の電位障壁高さは約30meVを中心とするガウス分布状に分布していたが,非線形電流・電圧特性が観測された素子は30~80meVに分散して分布していた。非線形電流・電圧特性が観測された素子の電位障壁高さは素子の寸法に依存しており・幅が広くなるほど小さく,長さが長くなるほど大きくなる傾向が見られた。これらの実験結果より,poly-Si中のキャリアは,より低い電位障壁部分を介してパーコレーション的に結晶粒間を伝導していることを見出した。一方,高濃度ドープしたSi量子細線中では,ランダムに分布したドナー不純物イオンの作り出すポテンシャルの揺らぎにより数nm~数十nmの電子島が自然に形成されることを見出した。電子島が準一次元的な多重トンネル接合を形成し,電流・電圧特性にクーロン遮蔽効果をもたらす様子をシミュレーションで明らかにした。
画像

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研究分野
  • 酸化物薄膜
  • 半導体結晶の電子構造
  • 界面の電気的性質一般
  • 金属-絶縁体-半導体構造
  • 固体デバイス製造技術一般
  • 固体デバイス
関連発表論文 2000年
・論文
(1)H. Mizuta, H. -O. Muffler, K. Tsukagoshi, D. Williams, Z. Durrani, A. Irvine, S. Amakawa, G Evans , K. Nakazato and H. Ahmed "Nanoscale Coulomb blockade memory and logic devices" supecial issue of Nanotechnology.
・国際会議,シンポジウム
(2)G Evans, H. Mizuta and H. Abmed: "Simulation of electronic states and transport properties of silicon nanowires with random dopant distribution" 6th MEL-ARI/NID Workshop (June 27,2000) University of Twente, Enshede.
(3)H. Mizuta, H.-O. Muller, K. Tsukagoshi, K. Nakazato, D. Williams, Z. Durrani, A. Irvine, S. Amakawa, G Evans and H. Abmed "Nanoscale Coulomb Blockade Memory and Logic Devices" TRENDS IN NANOTECHNOLOGY 2000 (16-20 October 2000) Monastery 'San Pedro Martir' ,Toledo, Spain.
(4)H. Mizuta, Y. Furuta,, G Evans, K. Nakazato and H. Ahmed: "Few-electron transport properties of Si and poly-Si nanostructures", FEMD CREST symposium (26 October 2000) JA hall, Tokyo.
(5)Y. Furuta, H. Mizuta. K. Nakazato, Y T. Tan, T. Kamiya, Z.A.K. Durrani, H. Ahmed and K. Taniguchi "Carrier transport across a few grain boundaries in polycrystalline silicon" Condensed Matter and Material Physics (19-21 December 2000) University of Bristol.
2001年
・論文
(6)Y. Furuta, H. Mizuta, K. Nakazato, Y. T. Tan,, T. Kamiya, Z.A.K. Durrani, H. Abmed and K. Taniguchi "Carrier Transport across a Few Grain Boundaries in Highly Doped Polycrystalline Silicon", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. L615-L617 Part 2 No. 6B.
(7)G. Evans, H. Mizuta and H. Ahmed "Modelling of Structural and Threshold Voltage Characteristics of Randomly Doped Silicon Nanowires in the Coulomb-Blockade Regime" Jpn J. Appl. Phys.
・国際会議,シンポジウム
(8)T. Kamiya, Y. T. Tan, Y Furuta, H. Mizuta, Z.A.K. Durrani and H. Abmed "CARRIER TRANSPORT IN ULTA-THIN NANO/POLYCRYSTALLINE SILICON FILMS" Material Research Society 2001 Spring meeting (April 2001).
(9)Z.A.K. Durrani, T. Kamiya, Y. T. Tan, H. Mizuta, Y. Furuta, and H. Ahmed "Nanocrystalline Silicon Point-Contact Single-Electron Transistor" 2001 Silicon Nanoelectronics Workshop (June 10-11, 2001) Rihga Rayal Hotel Kyoto.
(10)Y. Furuta, H. Mizuta, K. Nakazato, T. Kamiya, Y. T. Tan,, Z.A.K. Durrani and K. Taniguchi "Electron transport via a few grain boundaries in heavily doped polycrystalline-silicon point contact devices" 2001 Silicon Nanoelectronics Workshop (June 10-11, 2001) Rihga Rayal Hotel Kyoto.
(11)H. Mizuta "Local disorder effects in nanoscale devices" Ninth Hitachi-Cambridge Seminar (in co-operation with Japan 2001) (July 16, 2001))McCrum Lecture Theatre, Corpus Christi College, Cambridge.
(12).H. Mizuta, Y Furuta, G. Evans, K. Nakazato, T. Kamiya, Y. T. Tan, Z.A.K. Durrani and H. Ahmed "Local disorder of effect on electron transport in silicon nanostructures" Trends In Nanotechnology 2001 (TNT2001) (September 3-7, 2001) Monastery 'Santa Cruz', University SEK, Segobia, Spain.
(13)Y. Furuta, H. Mizuta, K. Nakazato, Y. T. Tan, T. Kamiya, Z.A.K. Durrani, and K. Taniguchi: "Characterization of tunnel-barriers in poly-Si point-contact single-electron transistors" 2001 INTERNATIONAL CONFERENCE ON SOLID STATE DEVICES AND MATERIALS (2001 SSDM), (September 26-28, 2001) Diamond Hotel, Tokyo
研究制度
  • 戦略的基礎研究推進事業、研究領域「電子・光子等の機能制御」研究代表者 小田 俊理(東京工業大学量子効果エレクトロニクス研究センター)/科学技術振興事業団
研究報告資料
  • 水田,古田,G. Evans,中里,H. Ahmed. Few-electron transport properties of Si and poly-Si nanostructures. 戦略的基礎研究推進事業「電子・光子等の機能制御」The First CREST Symposium on ''Function Evolution of Materials and Devices based on Electron/Photon Related Phenomena'',2000. p.94 - 94.

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