[論文レビュー] Formation of Strain-Induced Quantum Dots in Gated Semiconductor Nanostructures

Ted Thorbeck, Neil M. Zimmerman|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2014

Semiconductor materials and devices参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、シリコンナノ構造における金属ゲートからの弾性歪みが、歪みに起因するバンド構造の変化によって量子ドット（QDs）を誘発することを示している。これは、静電的バリヤーのみでは説明できない、不思議な多数電子QDsの形成を説明するものである。金属ゲートを高ドーピングされたポリシリコンに置き換えることで、歪みに起因するQDsが消失することから、歪みがQDデバイス設計において重要な要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

Elastic strain changes the energies of the conduction band in a semiconductor, which will affect transport through a semiconductor nanostructure. We show that the typical strains in a semiconductor nanostructure from metal gates are large enough to create strain-induced quantum dots (QDs). We simulate a commonly used QD device architecture, metal gates on bulk silicon, and show the formation of strain-induced QDs. The strain-induced QD can be eliminated by replacing the metal gates with poly-silicon gates. Thus strain can be as important as electrostatics to QD device operation operation.

研究の動機と目的

• 金属ゲートからの弾性歪みがシリコンベースのナノ構造において、意図しない量子ドットを形成する役割を調査すること。
• 異なるデバイスで一貫して観測される、説明のつかない多数電子量子ドットの長年の謎を解明すること。
• 歪みに起因するバンド構造の変化が、静電的に定義されたQDsと同等のトンネル障壁および局在状態を生成できることを示すこと。
• 金属ゲートを高ドーピングされたポリシリコンに置き換えることで、歪みに起因するQDsを排除する解決策を提案すること。
• 歪みを低温半導体ナノ構造における静電的要因と同等の重要な設計パrameterとして確立すること。

提案手法

• 金属とシリコンの熱膨張係数の不一致を考慮して、金属ゲートを搭載したボトムシリコン構造の歪み分布を有限要素法を用いてシミュレートすること。
• 特に軽い空孔のためのひずみの和（ε_y + ε_z）に注目し、変形ポテンシャル近似を用いて、導帯域および価電子帯構造の歪みによる変化を計算すること。
• 歪みに起因するバンドエネルギーのシフトを適用し、バンド構造における有効なポテンシャル障壁および量子ドットの形成を予測すること。
• ニッケル電極を備えたシリコンナノワイヤーをモデル化し、歪みに起因するトンネル障壁およびQDsを分析すること。スチェックキー障壁の形成は仮定しない。
• 歪みに起因するポテンシャルを用いてトンネル抵抗を推定し、QDにおける電荷局在の安定性を評価すること。
• 金属ゲートとポリシリコンゲートの構造を比較することで、歪みに起因するQDsの消失を実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノ構造における金属ゲートからの弾性歪みが、静電的に定義されたQDsと区別がつかない量子ドットを生成できるか？
• RQ2 欠陥の低減を試みても、多数電子量子ドットが異なるデバイスで一貫して同じ位置に観測されるのはなぜか？
• RQ3 歪みがバンド構造をどの程度変化させ、電荷キャリアを局在化できるポテンシャル井戸を形成するのか？
• RQ4 金属ゲートを高ドーピングされたポリシリコンに置き換えることで、歪みに起因する量子ドットを排除できるか？
• RQ5 通常のQDデバイス動作における静電的ポテンシャルと比較して、歪みに起因するポテンシャルの大きさはどの程度か？

主な発見

• ボトムシリコン上に金属ゲートを配置した場合、導帯域および価電子帯に局所的なポテンシャル井戸が形成され、デバイス中央でバンドエネルギーのピークを持つ歪みに起因する量子ドットが生成される。
• ナノワイヤー系における歪みに起因する量子ドットは、2つのトンネル障壁の間にポテンシャル井戸を形成し、それぞれの障壁高は5 meV、幅は30 nmであり、トンネル抵抗の推定値は45 MΩである。
• 計算された歪みに起因するポテンシャルは、スチェックキー障壁が存在しない状況でも、空孔を局在化させ、安定した量子化QDを形成するのに十分である。
• 金属ゲートを高ドーピングされたポリシリコンに置き換えることで、熱膨張係数の不一致が低減され、弾性歪みの発生源が除去され、歪みに起因するQDが消失する。
• 歪みに起因するQDは、ランダムな欠陥に基づくモデルとは整合しない、固定された位置に一貫して観測される現象を説明する。
• 歪み効果はQD形成を決定づける要因として、静電的効果と同等に重要であり、今後のQDデバイス設計において歪み工学が不可欠である。