「様式３」Ｐ-47

シリコンナノｐｎ接合とその光応答［１］組織
代表者：水田 博（北陸先端科学技術大学院大学／サザンプトン大学）
対応者：田部 道晴（静岡大学 電子工学研究所）
分担者：
小野 行徳（国立大学法人 富山大学）
堀 匡寛（国立大学法人 富山大学）
品田 賢宏（東北大学）
谷井 孝至（早稲田大学）
Manoharan Muruganathan（北陸先端科学技術大学院大学）
Le The Anh（北陸先端科学技術大学院大学）
田部 道晴（静岡大学）
池田 浩也（静岡大学）
モラル ダニエル（静岡大学）［２］研究経過
近年、集積回路、太陽電池、センサーなどの幅広い分野で、シリコンナノワイヤなどの微小な構造中のｐｎ接合を利用する試みが盛んである。このようなナノｐｎ接合はマクロなｐｎ接合とは異なり、関与するドーパントの個数が少なくなることによる異質な振る舞いが予想されるが、これまでその基本的性質についてはほとんど調べられてはいない。
本研究では、超高感度イメージングデバイスへの応用を目指して、横型のシリコンナノｐｎ接合およびｐｉｎ接合を作製するとともに、ドーパント原子の個別性が電気的、物理的特性に与える効果を明らかにすることを第一の目的とする。さらに、その次の段階で、光照射の効果、特にフォトン感受性を明らかにする。
以下、研究活動状況の概要を記す。

平成 27 年度静岡大学電子工学研究所共同研究プロ
ジェクト合同研究会」
Ｐ-47「シリコンナノｐｎ接合とその光応答」
Ｐ-48「シリコンナノデバイスにおける複合欠陥の物理と応用」
開催日：平成 28 年 1 月 8 日（金）開催場所：静岡大学電子工学研究所（第１研修室）
出席者 ：島根大学
土屋 敏章（研究代表者）
影島 博之
早稲田大学 谷井 孝至
富山大学
小野 行徳
堀 匡寛
渡邉 時暢
静岡大学
田部 道晴
池田 浩也
Daniel Moraru
開催の趣旨：
本研究会は、ドーパント原子の個別性に基づく物性を中心に、関連する小数個のチャネル中の欠陥、およびさらに広範なナノデバイスの研究状況などについて最新の成果を持ち寄り、発表・討論することを目的として開催した。次の２つのプロジェクト：Ｐ-47「シリコンナノｐｎ接合とその光応答」およびＰ-48「シリコンナノデバイスにおける複合欠陥の物理と応用」は、お互いの物理原理に重なる点が多いことから合同研究会として開催し、討論を行った。
研究会の成果：土屋（島根大）からは単一界面トラップのDOSとトラップ間相互作用について、検出法とその物理の詳細な報告があった。影島（島根大）は、ナノデバイスの基本構造であるSiナノピラーの表面酸化機構を原子レベルの動きを基に理論的な考察を行った。谷井（早稲田大）からは、ナノホールレジストマスクを用いたN2 分子イオン注入によるNVセンター配列の作製について報告があった。小野（富山大）は、SiO2/Si界面欠陥の低温チャージポンピング解析について、堀（富山大）は、電子スピン共鳴を利用した高感度チャージポンピン

グ EDMR 法の開発状況について報告した。池田（静大）は、ナノワイヤサーモパイル赤外線センサの高感度化について、モラル（静大）は、ドーパントを介したナノ FET・ナノエサキダイオードについて研究状況を報告した。
これらの報告はいずれも「原子とデバイス」という観点で共通しており、きわめて有益な討論を行うことができた。

もに、多くのピークが観測され、詳しい解析の結果、これらが薄層Siの2次元量子化状態密度とフォノン放出の効果が複合的に現れたものであることが明らかとなった。

共同研究プロジェクトに関する個別討論会
開催日：平成 28 年 1 月 25 日（月）開催場所：静岡大学電子工学研究所（第 2 研修室）
出席者 ：北陸先端科学技術大学院大学
水田 博（研究代表者）
M. Muruganathan
L. T. Anh
静岡大学
田部 道晴
池田 浩也
Daniel Moraru
開催の趣旨と成果： 本共同研究プロジェクトの中心課題である Si ナノエサキダイオードについて集中的に討論を行った。水田 G は、第一原理計算による理論解析を中心に、田部 G は低温での電気的測定と解析を中心に担当しており、きわめて有益な討論を行うことができた。
［３］成果（３－１）研究成果
昨年度に引き続き、図１にあるような極薄（2D）
エサキトンネルダイオードの測定と解析を進めた結果、重要な進展があり、論文投稿・掲載に至った（成果資料 (7)(Appl. Phys. Lett.)）。以下にその要点を述べる。

図１．田部 G で作製した高濃度ナノｐｎ接合ダイオード（ナノエサキトンネルダイオード）。接合部の縦方向の厚さは10-5nm であり、２D 構造をしている。
その I-V 特性は、図２に示すように典型的な負性微分抵抗（NDR）が低温域では観測される。さらにコンダクタンスをプロットすると、順方向、逆方向と

図 2．電流電圧特性とそのコンダクタンス。量子化準位とフォノンの組み合わせですべてのピークが説明できる。
さらに、第一原理計算の結果（図３）に示したようにｐｎ接合部に B と P の相対するペアを置くと、エサキダイオード特性の順方向に電流ピークが重畳されることが予見され、実験結果もいくつかのデバイスでこのような特徴が観測された。これは、1～2 個のドーパント原子がデバイス特性を支配するという結果であり、しかも電流増大に寄与するという実用上も重要な知見が得られた。

図 3．ナノエサキダイオードにおいて、接合部に BとP原子を挿入した場合の水田Gによる第一原理計算結果。
（３－２）波及効果と発展性など
本成果は、ドーパント原子デバイスがマクロデバイスとしての弱点を克服し、実用上も有効な効果をもたらすことを示唆しており、今後の大きな発展が期待できる。

［４］成果資料(1) "Electrical activation and electron spinresonance measurements of arsenic
implanted in silicon”
M. Hori, M. Uematsu, A. Fujiwara, Y. Ono
Appl. Phys. Lett. Vol. 106, No. 14,142105_1 – 4.(2015)(2) "Electric-Field-Assisted Formation of anInterfacial Double-Donor Molecule inSilicon Nano-Transistors"
Arup Samanta, Daniel Moraru, Takeshi
Mizuno, Michiharu Tabe
Scientific Reports, vol. 5, pp. 17377-1～10(2015)(3)"Tunneling in Systems of Coupled
Dopant-Atoms in Silicon Nanodevices”
Daniel Moraru, Arup Samanta, Krzysztof
Tyszka, Le The Anh, Manoharan
Muruganathan, Takeshi Mizuno, Ryszard
Jablonski, Hiroshi Mizuta, Michiharu Tabe
Nanoscale Research Letters, vol 10：372 ,pp.
1-10（2015）（4）"Effect of selective doping on the spatial
dispersion of donor-induced quantum dotsin Si nanoscale transistors"
Krzysztof Tyszka, Daniel Moraru, Arup
Samanta, Takashi Mizuno, Ryszard
Jablonski, Michiharu Tabe
Applied Physics Express, vol.,8 ,pp.
094202-1～094202-4(2015)(5) "Comparative study of donor-induced
quantum dots in Si nano-channels bysingle-electron transport characterization
and Kelvin probe force microscopy"
Krzysztof Tyszka, Daniel Moraru, Arup
Samanta, Takashi Mizuno, Ryszard
Jablonski, Michiharu Tabe
Journal of Applied Physics, vol.117,
pp.244307-1～244307-6(2015)(6) "First-principles study of hydrogen-enhanced
phosphorus diffusion in silicon”
Le The Anh, Nguyen Tien Cuong, Pham Tien
Lam, Muruganathan Manoharan, Hiroshi
Mizuta, Hideki Matsumura, Nobuo Otsuka
and Dam Hieu Chi
Journal of Applied Physics, vol.119,045703, (2016)(7) "Atomistic nature in band-to-band tunnelingin two-dimensional silicon pn tunnel diodes”
Michiharu Tabe, Hoang Nhat Tan, Takeshi
Mizuno, Manoharan Muruganathan, Le TheAnh, Hiroshi Mizuta, Ratno Nuryadi, DanielMoraru
Applied Physics Letters, vol.108, issue9,
pp093502-1～093502-5（2016）

出張報告
氏 名：谷井 孝至
所 属：早稲田大学
期 間：２０１６年１月８日－１月９日
用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する研究会を行い、成果の発表及び討論を行った。
主たる対応者：田部 道晴
氏 名：小野 行徳
所 属：国立大学法人 富山大学
期 間：２０１６年１月８日－１月９日
用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する研究会を行い、成果の発表及び討論を行った。
主たる対応者：田部 道晴
氏 名：堀 匡寛
所 属：国立大学法人 富山大学
期 間：２０１６年１月８日－１月９日
用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する研究会を行い、成果の発表及び討論を行った。
主たる対応者：田部 道晴
氏 名：渡邉 時暢
所 属：国立大学法人 富山大学
期 間：２０１６年１月８日－１月９日
用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する研究会を行い、情報収集を行った。
主たる対応者：田部 道晴
氏 名：水田 博
所 属：北陸先端科学技術大学院大学
期 間：２０１６年１月２５日－１月２６日用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する個別討論会を行った。
主たる対応者：田部 道晴
氏 名：Manoharan Muruganathan
所 属：北陸先端科学技術大学院大学
期 間：２０１６年１月２５日－１月２６日用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する個別討論会を行った。
主たる対応者：田部 道晴
氏 名：Le The Anh
所 属：北陸先端科学技術大学院大学
期 間：２０１６年１月２５日－１月２６日用務先：静岡大学 電子工学研究所
用務内容：共同研究プロジェクトに関する個別討論会を行った。 主たる対応者：田部 道晴