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2017年6月6日

産総研、Ge単結晶の超薄膜化技術を発表、電子移動度が飛躍的に向上

 産業技術総合研究所(産総研)ナノエレクトロニクス研究部門は2017年6月5日、Siの性能を凌駕する材料として有望視されているGeの膜厚10nm以下の均一な超薄膜構造の作製法を開発した。さらにこのnmレベルの均一なGe超薄膜を絶縁膜で挟むと、Ge超薄膜中の電子移動度が著しく向上することを発見した。これは、絶縁膜で挟まれた5nm以下の半導体薄膜では、界面の不均一性や半導体薄膜の膜厚揺らぎの影響によって電子移動度が著しく減少するという、従来の半導体の常識を覆す現象である。
 今回、半導体転写技術の高度化により、絶縁膜に挟まれた10nm以下の超薄膜Ge構造を作製できたことは、高速性と消費電力低減が期待されるGeのLSI実現の大きな一歩となる。さらに、今回発見したGe超薄膜の電子移動度が急激に向上する現象は、高性能超低消費電力Ge-LSI実現だけではなく、新たな電子・光デバイスへの応用展開も期待される。
  半導体転写技術を高度化することによって、膜厚10nmというGeの単結晶薄膜を作成する方法を開発した。図1に今回開発した超薄膜Ge構造の形成法、HEtero-Layer Lift-Off (HELLO)法の概要を示す。まず、GaAs基板上に剥離層となるAlAs層を形成し、その上に高品質の超薄膜Ge/SiGe/Geの複層膜構造をヘテロエピタキシャル成長させる。
  SiGe層は後述の選択エッチングプロセスでのエッチングストップ層となる。ここで、AlAs層やSiGe層のように化学的な性質は大きく異なるがGe結晶の格子とは一致した結晶を成長させることがポイントとなる。その後Al2O3絶縁膜を堆積させた。剥離層であるAlAs層を露出させるためにAl2O3/Ge/SiGe/Ge/AlAs層を部分的にエッチングした後、SiO2膜を付けたSi基板と貼り合わせる。剥離層であるAlAs層だけを薬液により溶解してGaAs基板を剥離すると、Al2O3/Ge/SiGe/Ge層が転写されたSi基板が得られる。さらに転写されたGe/SiGe/Ge層のうち上側のGe層とSiGe層を選択エッチングして順次取り除くと、絶縁膜上に均一な超薄膜Ge構造ができる。最終的には、この超薄膜Ge構造を、原子層レベルで繰り返しエッチングすることで精密に膜厚を制御する。
 この超薄膜Ge構造の断面透過電子顕微鏡像を図2に示す。上下のAl2O3絶縁膜で挟まれた明瞭なGe格子像が観察されており、緻密な膜厚制御手法によりそれぞれ(a)3 nmと(b)9 nmの均一な単結晶Ge超薄膜が形成されている。なお、図2はトランジスタ試作後の写真で、下部にはSiO2膜を付けたSi基板、上部には窒化タンタル(TaN)の金属ゲート電極層がある。  また、単結晶Ge超薄膜の膜厚13 nmから3 nmにおける電子移動度のシート電子密度依存性を確認すると、13nmから3nmに薄膜化するにつれて電子移動度が急激に上昇する現象が見られた(図3)。シート電子密度5x10^12cm-2で、移動度は2.5倍にまで増加している。
 今回発見した現象は、ナノ構造化に伴い、超薄膜Ge構造では単結晶Geと比較してエネルギーバンド構造が大きく変化したためと考えられる。これは第一原理計算によると、10nm以下のGe構造は量子構造化し、電子が(001)の結晶軸方向に閉じ込められると、電子が選択的に占有するL谷の有効質量が大幅に減少すること、また、有効質量の小さな谷とのエネルギー差が縮小し、谷の電子占有率が上昇することが予測されている(図4) 。その結果、電子の伝導に寄与する有効質量が小さな電子が増加して電子移動度が向上すると考えられる。
  今回の発見は、この第一原理計算の予測を支持する初めての実験結果である。 Geの超薄膜化によるエネルギーバンド構造の変調は、電子、正孔といったキャリアの輸送特性に大幅な変化をもたらす。この特性は、超低消費電力LSIへの貢献だけではなく、新たな量子効果デバイスや光デバイスへの応用も期待されるものである。

URL=http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2017/pr20170605_2/pr20170605_2.html


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図1 超薄膜Ge構造の形成プロセス

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図2 超薄膜Ge構造断面の透過電子顕微鏡像

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図3 超薄膜Ge層における電子移動度のシート電子密度依存性

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図4 Ge薄膜のエネルギーバンド構造((a)膜厚10 nm以上、(b)膜厚10 nm以下)



 

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