Jun NAKAMURA (中村 淳)

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 特定領域研究, Category: 特定領域研究, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 2400000, indirect: -)
本研究は、(1)人工的に制御された「ホモマテリアルヘテロ界面」構造を利用したヘテロ界面の基礎物理モデルの構築と、(2)その周期配列制御によるメタマテリアルの創製、を目論むものである。すなわち、本質的に界面の格子不整合を含まない同物質の異結晶形ヘテロ構造を利用して、新たなメタマテリアルの創製とそのヘテロ構造デバイスへの応用の可能性を探る。昨年までにとりあげた窒化ホウ素(BN)に加え、本年はIV-IV族化合物半導体として最も典型的な物質で、ワイドバンドギャップ半導体として応用上も非常に重要な炭化ケイ素(SiC)、およびポストスケール世代の半導体材料として注目されるSiGe混晶を対象として、その「ホモマテリアルヘテロ界面」の電子状態を評価した。密度汎関数理論に基づく第一原理計算を用いて結晶多形超格子の電子状態計算を行った。用いた結晶多形は、立方晶系(閃亜鉛鉱構造)の3C、および六方晶系の2H(ウルツ鉱構造)、4H、および6Hである。本研究では3C/nHタイプの超格子(n=2,4,6)を考えた。SiCやSiGeのようなIV-IV族半導体および昨年評価を行ったBNのようなIII-V族化合物半導体の超格子はいずれもタイプIIの超格子となり、一方IV族単体半導体同士のヘテロ界面を用いるといずれもタイプIの超格子となることがわかった。化合物であるか単体であるかによって超格子のタイプが異なるのは、そのバンドダイヤグラムから理解可能であることが示された。また、各超格子について局所誘電率(屈折率)の空間プロファイルを評価したところ、界面近傍における誘電率の変化領域は原子レベル(高々2から3原子層以内)であることがわかった。ホモマテリアルヘテロ界面を用いることによって、急峻な界面特性を持つ超格子を作製可能であることが理論的に示された。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 15000000, indirect: 4500000)
A combined experimental and theoretical study on the incorporation of Mn in GaAs has been presented. We have successfully controlled the location of Mn atoms at GaAs(001) surfaces by changing the surface atomic geometry. While Mn atoms prefer to substitute Ga sites at a subsurface layer under the As-rich conditions, the incorporation into interstitial sites becomes more favorable as the surface As coverage is decreased. The present results provide a mechanism for the enhanced incorporation of substitutional Mn atoms in GaMnAs under low-temperature (i.e., As-rich) growth conditions.

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 特定領域研究, Category: 特定領域研究, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3900000, indirect: -)
電界印加下の密度汎関数基底状態計算(B. Meyer et al., Phys. Rev. B 63(2001)205426)を用いて電界誘起電荷密度を求め、ガウス分布フィルターを用いて粗視化を行う。粗視化された電界誘起電荷観密度を用いてガウス則より粗視化された局所内部電界を評価し、電束密度連続の式より局所誘電率の3次元空間分布を求める定式化とプログラム開発を行った。
SiO2超薄膜と理想的なSiO2/Si(001)界面に酸素欠損を導入し、電子分極による光学誘電率、電子分極と格子分極による静的誘電率の3次元空間分布を調べた。欠陥近傍での光学誘電率の空間変化は小さいが、静的誘電率は欠陥近傍で増大することを見出した。
さらに、HfO2、La2O3等のイオン性の強いhigh-k超薄膜の誘電特性、Ge-MOSの酸化膜として期待されるGeO2超薄膜、GeO2/Ge(001)界面の局所誘電特性の計算を行った。GeO2酸化膜では、結晶構造の異なるquartz構造とrutile構造の2種類の薄膜を調べた。quartz構造薄膜は共有結合性が強く、quartz構造SiO2膜と類似の誘電特性を示す。イオン結合性の強いrutile構造薄膜はquartz構造より大きな静的誘電率を持ち、酸素欠損近傍での静的誘電率はさらに増大することを示した。
HfO2超薄膜の誘電特性の計算は論文にまとめ、J. Vac. Sci. Technol. Bに掲載された。GeO2超薄膜、GeO2/Ge(001)界面の局所誘電特性の研究成果は、"37^ Conf. on the Physics and Chemistry of Surfaces and Interfaces"で発表され、現在、論文を執筆中である。

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 特定領域研究, Category: 特定領域研究, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 2100000, indirect: -)
電界印加下の密度汎関数基底状態計算(B.Meyer et al,Phys.Rev.B 63(2001)205426)を用いて電界誘起面平均電荷密度を求め、ガウス則より局所内部電界を評価し、電束密度連続の式より局所誘電率を計算する定式化とプログラム開発を行った。
SiO_2超薄膜と理想的なSiO_2/Si(001)界面に適用し(S. Wakui et al.,in submission to J.Vac.Sci.Tech.B)、電子分極による光学誘電率、電子分極と格子分極の双方による静的誘電率の評価を行った。光学誘電率、静的誘電率共に、表面、界面近傍で急峻に変化することを見出した。さらに、SiO_2超薄膜と理想的なSiO_2/Si(001)界面に酸素空孔を導入し、欠陥が局所誘電率に与える影響を調べた。酸素空孔近傍で光学誘電率、静的誘電率双方に増大が見られた。光学誘電率増強は、酸素空孔に起因するSiタッグリングボンド準位がSiエネルギーギャップ中に現れることにより、電子分極が増大することによる。SiO_2超薄膜での静的誘電率増強には、酸素空孔によるSi原子層間隔の減少にも起因する。さらに、SiO_2超薄膜内のHf原子のSi原子置換により、静的誘電率が局所的に異常に大きく増大する現象を見出した(S.Wakui et al.,in submission to Appl.Phys.Lett.)。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3300000, indirect: 990000)
密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算を用いて、La酸化物超薄膜単体およびLa酸化物とSi基板界面における原子レベル誘電特性、電子状態計算を行った。La酸化物表面においては、表面緩和により誘電率が著しく低下することがわかった。また、界面におけるバンドオフセットは、界面原子配列の詳細に大きく依存することがわかった。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3700000, indirect: 300000)
摩擦力顕微鏡(FFM)が開発されて原子スケールでの摩擦力の観測が可能となり、ナノスケールのコンタクトの摩擦に対して巨視的な接触面での摩擦則が成立しないことが明らかになっている。本研究の目的は、ナノスケールコンタクトの摩擦機構を明らかにし、摩擦が消滅する超潤滑の出現機構と出現条件を解明することである。
FFMでの単針の運動をTomlinsonモデルを用いて調べ、以下のことがらを明らかにした。
(1)FFMで観測される摩擦力のスキャン速度飽和について、新たな機構を提唱した。
(2)単針先端が複数個の原子で構成される場合の摩擦機構を明らかにした。
(3)FFM単針を振動させながらスキャンしたときに観測される摩擦消失(動的超潤滑)の機構を明らかにした。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3500000, indirect: -)
Energy dispersion relation and probability distribution of the Bloch function at the band edge were calculated for SiO2/Si(100) super-lattice structure, using the density functional first-principles calculation. From the band edge energy and the probability distribution of the Bloch function, novel evaluation method of valence band offsets are proposed. This method can be available even if the layer thickness of the super-lattice is very thin, although the conventional method is appropriate for thick layers.
The following results have been obtained.
(1) SiO2 layer thickness dependence of valence band offsets and corresponding penetration depth of a hole : The valence band offsets decreases as SiO2 layer thickness decreases, due to decrease of the energy gap of SiO2. The penetration depth of a hole gives a consistent result with the valence band offset
(2) Si layer thickness dependence of valence band offsets and energy gap : The valence band offset decreases and the energy gap increases, as Si layer thickness decreases. This is due to quantum confinement effect in Si layer.
(3) Carrier injection dependence of valence band offsets : The valence band offsets increases as electron concentration increases, although the valence band offset decreases as hole concentration increases. This is attributed to change of the electrostatic potential by carrier injection.

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 特定領域研究, Category: 特定領域研究, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 42100000, indirect: -)
1.昨年度に開発した、MOSFET中のキャリヤ輸送にフェルミ統計を考慮したモンテカルロ・シミュレーションにより、極微細MOSFETにおいて、バリステイックな電流やキャリヤ速度がフォノン散乱によって抑制される状況を解析した。
2.将来の有望な素子候補といわれる、ナノワイヤからなるFETの特性に関して、バリステイックなキャリヤ輸送の場合の電流電圧特性の一般公式を与えた。ナノワイヤの1次元バンド構造を与えれば、容易にFET特性を算出できる。これを用いて、ナノワイヤの性能極限などを議論できる。
3.MOSFETの閾値電圧の揺らぎの検討に関して。昨年度の深さ方向1次元の解析を、面内にそのようなカラムが束ねられているモデルに拡張して、チャネル内のキャリヤ伝導をカラム間のパーコレーションとして扱うシミュレーション・モデルを開発した。従来の大規模シミュレータのような計算コストが掛からない、3次元的な不純物位置情報を反映した、閾値電圧の標準偏差を知る強力なツールとなる可能性がある。
4.Siの(113)面上に、Geのナノワイヤが自己組織化的に成長する機構の解析に関して。昨年、第一原理計:算およびSTM観察の結果より、成長するGeの結晶構造がTPI&Rモデルといわれる構造であることを特定した。続いて、本年度はGe結晶の応力分布を算出し、結晶内の一方向にcompressiveなストレスが、またこれと直交する方向にtensileなストレスがかかっており、このストレス異方性が細長い島成長からワイヤ成長へと方向付けていることを明らかにした。ワイヤの自己組織化の有力な機構のひとつと見られる。
5.ナノスケール素子形成のための、シリコン面の制御法の検討。陽極酸化によりシリコン面に酸化膜フェンスで囲まれた領域を形成し、極低溶存酸素純水に依るエッチングで、領域内を完全にステップフリーとすることができた。また、シリコン面のテラス構造をCuを含む溶液に浸漬し、ステップに沿ったCu吸着によりCuナノワイヤを形成することができた。これらは、ナノスケールの素子構造形成の制御法の一つとして注目される。