先見のは先入茲砲箸蕕錣譴覆い海箸ら始まる
w定念や先入茲らの脱却はMしいものだとつくづく感じた。Mに関わることなのでこのコラムの`的にはpわないかもしれないが、この度、50Q越しの疑念が少し晴れたような気がしたので、恥をR瑤粘困┐討泙箸瓩討澆燭ぁHC教師として読んでいただければmいである。
最Z、@古屋j学教b財満先擇b文(参考@料1)を拝読してハッと思う所があった。内容そのものが「スケーリング後の\術」ということで、それだけでも興味函垢任△襪、実は衝撃をpけたのはそれのみではなく、同b文Fig.7の説所に「理bQでは、GeにSnを入れていくと帯構]が変化すると報告されており、そのQ(の仮定)にもよるが、Sn含~量がほぼ10%をえると、Geは間接“焼(参考@料2)から直接“焼(参考@料3)に変化する」という的な数値を挙げての記述に瓦靴討任△辰拭
筆vは50QiにGeで直接‥杜成分を莟Rしていながら、GeやSiは間接“焼だという先入茲ら脱することができず、そのため長Q、なぜ直接\分の電流が流れるのだろうと思っていた。不咾鮹僂犬覆ら、財満先擇掲げられた参考@料を当たると、2010Qにアルジェリアの科学vY. ChibaneとM. Ferhat(参考@料4)がSnXGe1-X合金でその電気的性を調べ、Sn含~量20%以下でのT晶構]と帯構]を報告している。筆vには、間接〃身焼から直接〃身焼に々圓垢襪箸い考えは、思いもよらなかった。
以iも本コラムで記した(参考@料5)ことがあるが、筆vは1963Q3月〜1966Q3月の間、当時の東j学電気通信研|所゚圭Yk教bの研|室で、Geエサキダイオードにおける、フォノン・アシステッド・トンネル現(phonon-assisted tunneling)の研|を担当していた。フォノンとは~単に言えば格子振動を量子化したもので、フォノン・アシステッド・トンネル電流とは、そのフォノンの\けをpけてトンネル電流が流れる現であり、峙の間接,乏催する。]ヘリウムa度に冷却し、格子振動を抑えながら電圧を屬欧討い、電流―電圧性を解析すると、フォノンのエネルギーに官する電圧からフォノン・アシステッド・トンネル電流が流れ始める。したがってその電圧値を求めると、フォノンのエネルギーがR定できる。
先輩気剖気┐督困ながら、エサキダイオードを}作りし、同j学金鏈猯糎|所から定期的に]ヘリウムの供給をpけて、これも先輩気作られた微分コンダクタンス(dI/dV−V性)R定(参考@料6)を使い荵,鬚靴拭H分値をR定するのは電流―電圧性の微小な変化分を捉えるためで、そのZ型的な性のk例が、Jに先の本コラム(参考@料5)で文の参考図に掲げた図である。
詳細はT士課T了時にまとめたb文(参考@料7,8 )に記述しているが、5×1019cm-3のGaをドープしたp-Geに、Sn-Sb(80:20wt%)ドットまたはSbドットをいてX冷合金法で峻なpn接合を作った。n型合金層を試作する屬如Sn-Sb(80:20wt%)合金の気低融点で、球Xドットが作りやすいため、当初それをいてエサキダイオードを作っていた。しかしその後、Snの影xがあるのではないかと疑い、Sbのみのドットでもエサキダイオードを作るようになったというのが経緯である。
図1 5×1019cm-3のGaをドープしたp-Geに、Sn-Sb(80:20wt%)ドット(図1A)またはSbドット (図1B)をいてX冷合金法で作したエサキダイオードの、4.2KにおけるZ型的なI-V性とdI/dV-V性(参考@料5, 6)。G0とΔGの求め気盖入している。それぞれ嶼U入図は試料Cの模式図である。(参考@料7, 8)
図1は嵜(Sample No. P77)がSn-Sbドットの場合、下図(Sample No. P92)がSbドットの場合の絶観a度4.2K(ケルビン)での電流―電圧性と、その変化を詳しく検瑤垢襪燭瓩糧分コンダクタンス(dI/dV)―電圧性である。模式的な試料C図をそれぞれ屬堀U入した。順妓でも逆妓でも、それぞれのフォノンエネルギー値に達すると電流値が\加し、フォノン・アシステッド・トンネル電流が莟Rできる。また我々の設△任魯┘汽ダイオード試作時のX冷合金a度のピーク値TMAが650℃を越すと、不純颪拡gして、濃度勾配の峻なpn接合がuられず、負性B^をさないバックワードダイオードになったが、そのようなバックワードダイオードでもフォノンのエネルギーはR定できた。
図2 Qフォノン・アシステッド電流が流れ始める電圧でのdI/DVの変化分ΔGPをV=0に外Uした微分コンダクタンスG0で格化したプロット。図2A, 2B, 2C, 2DはそれぞれTA, LA, LO, TOフォノン・アシステッド電流が流れ始める電圧でのΔGP/ G0値(単位%)で、○△は順バイアス性、●▲は逆バイアス性から求めた値である。横軸TMA(単位℃)は試料作時のX冷a度サイクルにおける最高a度である。GPの下添えCPは当該TA, LA, LO, TOフォノンをT味する。(参考@料7, 8)
ゼロバイアスではゼロバイアス・アノーマリーズ(参考@料5)と}ばれる別の現が擇犬襪里如△修慮を排除し、図1のように順妓と逆妓とから外Uしてゼロバイアスの微分コンダクタンス値G0を求め、その値に瓦垢觀Qフォノン・アシステッド電流が流れ始める点での微分コンダクタンス変化分ΔGの割合を格化し、ΔG/G0としてしたのが図2である。つまりΔG/G0がjきいほどそのフォノン・アシステッド電流の割合がjきい。図1、図2でTA、LA、LO、TOはそれぞれ横妓音xフォノン(transverse acoustic phonon)、e妓音xフォノン(longitudinal acoustic phonon)、 e妓光学フォノン(longitudinal optical phonon)、 横妓光学フォノン(transverse optical phonon)をT味する。 図2で○印と●印のデータはSn-Sbドット、△印と▲印のデータはSbドットの場合のダイオード性からuられた値であり、○印と△印は順妓性からuた値で、●印と▲印は逆妓性からuた値である。(参考@料7、8)
両図かららかなように、Sn-Sbドットで作したpn接合より、Sb単独のpn接合の場合の気、Qフォノン・アシステッド電流が流れ始まる電圧値でのΔG/G0値が圧倒的にjきい。つまりフォノン・アシステッド電流がはっきり現れるということである。そして合金接合を形成するためのX冷ヒートサイクルa度の最高a度TMAを高くすると、いずれの場合でもその変化分が少する。しかもSb単独の場合とSn-Sbの場合でこのようにΔG/G0値にjきな差があるのに、図1でらかなように、最高a度が高くなるにつれQフォノンエネルギーは両vでほぼ同じ値をすようになる。
゚契擇吠鷙陲帽圓と、微分コンダクタンス性屐△海里茲Δ暴jきな変化率ではっきりフォノン・アシステッド電流成分をとらえた例がないので、b文にまとめるよう指されたが、フォノン・アシステッド電流の微分コンダクタンス(参考@料9、10)、あるいは2次微分コンダクタンスのR定例(参考@料11)はJに発表されていた。しかしSnの効果については、学会発表(参考@料12)はしていたが、まだどこからもb文発表はなかった。したがってb文の新性を出すにはSnの効果をiCに出す要がある。しかし肝心の、なぜSnが入るとフォノン・アシステッド電流が流れ始める電圧での微分コンダクタンスの変化率が小さくなるのか、つまり直接(が\えるのかが、わからなかった。T士課T了時期が来ても、学術雑誌への投Mb文にまとめることができず、先擇瓦靴討眇修lなく、またO分の才を残念に思いながら、この歳まで50Qも経圓靴討靴泙辰拭今、財満先擇b文(参考@料1)を読んで思うに、帯構]が変化し、間接“焼から直接“焼になることで裏けられると思い当った次である。
思いこすと、研|室の先輩の中には、原子半径のjきな元素を加えると、禁U帯幅が狭くなることを指~してくれた(参考@料13)もおられた。しかしGeやSiは間接“焼だと頭から思い込んでいたし、帯構]のQができるほどのξもなかったので、それ以屬録覆泙覆った。あらためて先入茲篭欧蹐靴い隼廚Α
ただし、直接〃燭々圓垢襪箸靴討癲△茲瑤蕕譴討い襪茲Δ墨弔加わったり、格子定数も変わるだろうに、なぜフォノンエネルギーは変わらないのだろうか。Geの基にとっては接合C積も小さいので、フォノンエネルギーは圧倒的にjきな積をめるGeの基でまるのだろうか。愚問かもしれないが、これが今でも筆vの疑問として残る。
当時は}作りでサンプルを作っており、本当にトンネル電流なのか、作り気Kくてリーク電流成分が流れているのかもわからず、O信がなかった。リーク電流が流れれば、それを見かけ屐直接\分と誤認しかねない。実、リーク電流なのかトンネル電流なのかという識別は今でもMしく、昔から研|vを椶泙靴討た課でもある(参考@料14)。
また合金法でpn接合は形成できるものの、その小さなドットへ電極をDりけることがMしく、顕微下でZ労して電極をDりけていたので、その工での汚なども心配であった。加えて、次の]ヘリウムが入}できるiにサンプルを作り屬欧覆韻譴个覆蕕此∋間的なU約もあったため、ゆっくり時間をとって理bQする余裕もξもなかった。基本的なKane(参考@料15,16)のトンネル理bのb文の理解すらもなかなか進まなかった。言いlをしても仕気ないが、そのような中でバラつきがjきくても、実xv数を_ねればデータはOずと真のeをすようになるという、゚係|室の気風もあって、がむしゃらにR定v数を_ねたものである。
今、財満先擇b文(参考@料1)を読んで、もし筆vにまだとが残っていれば、Ge帯構]のSn濃度依T性をQし、それとフォノン・アシステッド電流に瓦垢覬惇xなどを定量的に調べられるのに、と残念に思う。またSnがそれだけ入っても、QフォノンエネルギーがSnの~無によって変わらない理yなども解したいところだが、pだけむなしく@ぐ身がもどかしい。ZQ、弧元素半導に瓦垢誅超\術というT味でもSnが再び見直されており、また高]低消J電デバイスのTFET(トンネルFET)というT味でもトンネル現が見直されているだけに、余、Qはとりたくないものと今さらのように思う。
思うに、50Qi、まだブラウン管のモノクロテレビがやっと普及しだしたころ、東j学工学霤纏匚学科の故和田信教bは、w定電子工学の講Iで]晶に触れられた折、来は薄型ディスプレイになり壁Xけテレビも夢ではないと述べられた。]晶がまだ電Rの表にすら使われていない時代に、である。゚袈笈bも50Qiにグラスファイバによる光通信を唱えられ、送信筝源の半導レーザー、伝送線路の光ファイバ、p信笋pinフォトダイオードを発されている。当時、学会で゚契擇励\教bだった、川崗監麥r先(後の東j学@誉教b)がグラスファイバによる信ナ疏を発表すると、「厚さ1mmの眼のレンズを通してさえも光は衰するのに、ガラスを通して光伝送をするなんて」と笑われたという(参考@料17)。今やことごとく現実のものになっている。先入茲鰡`れて、50Q後のeをWいて研|テーマを設定される、両先擇里修寮荼のに、あらためて凡人として頭が下がる。先見のとは、先入茲鰡`れる所からスタートするのだろう。
心配することはサイテーションk主Iである。k般に長期的野に立った研|b文が陽の`を浴びるのはかなり後になってのことである。もちろん、サイテーションされるような立派なb文もjであるが、現時点ではサイテーション率が低いb文の中にも、来光るものがあることは忘れてはいけない。{い研|vにはサイテーション率が低いからといって嘆くことなく、要は先入茲鯒喀して、その時点での最の努をし、Pいのない研|を送られるよう願ってやまない。
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@古屋j学教b財満先擇砲呂寄H忙の中、本Mを予め御k読いただいた。またセミコンダクタポータル社集長氾跳二にはこの度もまた本Mのh読をしていただいた。合わせ厚く御礼を申し屬欧燭ぁ
参考@料
1. S. Zaima, "Technology Evolution for Silicon Nanotechnology: Postscaling Technology," Jpn. J. Appl. Phys. 52, 030001 (2013)
2. 間接“焼とは、S数空間(k空間)に帯構]をWいたとき、伝導のfと価電子帯の頂屬異なるS数ベクトルk屬砲△蝓電子とホールの再T合に通常フォノンを介する要がある半導で、GeやSiなどがその例である。出Z:ウィキペディア http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E9%81%B7%E7%A7%BB
3. 直接“焼とは、S数空間(k空間)に帯構]をWいたとき、伝導のfと価電子帯の頂屬同じS数ベクトルk屬砲△蝓直接、電子とホールが再T合できる半導で、GaAsなどがその例である。出Z:ウィキペディア http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E9%81%B7%E7%A7%BB
4. Y. Chibane and M. Ferhat, "Electrical Structure of SnXGe1-X Alloys for Small Sn Compositions: Unusual Structural and Electronic Properties," J. Appl. Phys. 107, 053512 (2010)
5. r志田元孝、"先を見通す眼を鍛錬し、スピントロニクスを含むナノテク噞性化に期待、"セミコンポータル、2011Q1月13日
6. J. J. Tiemann, "Automatic Conductivity Plotting Machine," Rev. Sci. Instrum. 32, 1093 (1961)
7. M. Kamoshida, K. Kijima and J. Nishizawa, "Components of the Tunnel Current in Sb-Alloyed Diodes and (Sn-Sb)-Alloyed Diodes," RIEC (The Research Institute of Electrical Communication、Tohoku University) Technical Report TR-11 (1966)
8. r志田元孝、v光k、゚圭Yk、"不純颪砲茲襯肇鵐優訶杜成分の変化について、"東j学電通iB会記{35、50 (1966)
9. A. G. Chynoweth, R. A. Logan and D. E. Thomas, "Phonon-Assisted Tunneling in Silicon and Germanium Esaki Junctions," Phys. Rev. 125, 877 (1962)
10.R. A. Logan and A. G. Chynoweth, "Effect of Degenerate Semiconductor Band Structure on Current-Voltage Characteristics of Silicon Tunnel Diode," Phys. Rev. 131, 89 (1963)
11. R. T. Payne, "Phonon Energies in Germanium from Phonon-Assisted Tunneling, " Phys. Rev. 139, A570 (1965)
12. 例えばr志田元孝、v光k、゚圭Yk、"ゲルマニウムダイオードの直接.肇鵐優觚果について、"昭和40Q度電気通信学会国j会講演b文集(分冊2) 525 (1965)
13. 記憶に間違いがなければ、故石川m夫M信(1965)
14. 例えばr志田元孝、「改ネ妊淵離好院璽詒焼実z工学」丸出版センター(2010) p.125 演{問2、初版(2005)ではp.102 演{問2。 トンネル電流とリーク電流の識別を問う問でこの演{問は今でも、例えば噞\術総合研|所ナノデバイスセンター主、日本工学会共、「ナノテク]中核人材の養成プログラム」のコマ1の講I後、よく解をねられる。 http://www.seed-nt.jp/h24/NE.php
15. E. O. Kane, " Theory of Tunneling," J. Appl. Phys. 32, 83 (1961)
16. E. O. Kane, "Thomas-Fermi Approach to Impure Semiconductor Band Structure," Phys. Rev. 131, 79 (1963)
17. 例えば゚圭Yk、「独創はhいにあり」、プレシデント社刊(1986)のp155