部家 彰

DNA(チャネル)/SiO_2/Si(ゲート)構造において,DNAのキャリアの振る舞いを調べた.シリコン基板を使って電極間に120nmのギャップを作り,DNAはギャップの間に作製した.dI_D/dV_Dは0.7Vで極値を示ており,この理由はDNA中のトラップとデトラップが関与していると考える.電子はグアニンにトラップされ,チャネル部における電圧によってデトラップが引き起こされる.p^+Siの場合多数キャリアのホールはDNAチャネル中の電子と再結合し,質量作用の法則により,トレイン電極からチャネルに注入される.

SiO_x中に低温でナノ結晶Si(nc-Si)を形成することは、高効率太陽電池実現にとって重要な技術の一つである。我々はシンクロトロン放射光施設NewSUBARUのBL07Aを利用した軟X線照射による低温結晶化を提案しており、非晶質Si(a-Si)膜において結晶化閥値温度を100℃程度低減できることを明らかにしている。Si2p軌道の内殻準位に近い光子エネルギーの軟X線照射による電子励起・原子移動効果により、SiO_x膜中のa-Siは結晶化した。軟X線照射時の基板温度は660℃である。nc-Siの粒径は、ラマンピークのシフトより16.8nmと見積もられた。軟X線照射により、nc-Siを低温で形成できる可能性があると考えられる。

入射光により励起された正孔と電子の再結合によるエネルギー欠損の制御は重要な課題である。発電層の側壁をMISダイオードにより囲んだ電界効果型マイクロウォール太陽電池を提案する。シミュレーションにより変換効率はゲート電圧無印加の2.8倍になる。

DNA(チャネル)/SiO_2/Si(ゲート)構造において,DNAのキャリアの振る舞いを調べた.シリコン基板を使って電極間に120nmのギャップを作り,DNAはギャップの間に作製した.dI_D/dV_Dは0.7Vで極値を示ており,この理由はDNA中のトラップとデトラップが関与していると考える.電子はグアニンにトラップされ,チャネル部における電圧によってデトラップが引き起こされる.p^+Siの場合多数キャリアのホールはDNAチャネル中の電子と再結合し,質量作用の法則により,トレイン電極からチャネルに注入される.

レーザ照射による多結晶シリコン薄膜はガラス基板上のみならず、ポリマー基板上においても魅力的である。我々はプロセス温度を低下するため、可視レーザ光誘起横方向成長法を提案している。紫外光レーザの前、もしくは後に可視レーザを照射する。可視レーザ光を照射することで固相による結晶成長において重要な役割を果たす結晶粒界のみを選択的に加熱することにより、横方向成長は促進される。

レーザ照射による多結晶シリコン薄膜はガラス基板上のみならず、ポリマー基板上においても魅力的である。我々はプロセス温度を低下するため、可視レーザ光誘起横方向成長法を提案している。紫外光レーザの前、もしくは後に可視レーザを照射する。可視レーザ光を照射することで固相による結晶成長において重要な役割を果たす結晶粒界のみを選択的に加熱することにより、横方向成長は促進される。

10nm程度の極浅接合形成のため、アンジュレータ光源を用いた軟X線照射によるSi中B不純物の低温活性ィヒについて検討した。軟X線照射によるシート抵抗の低減効果は、熱処理と比べて400℃以下の低温領域で顕著になり、アレニウスプロットから見積もった活性化エネルギーは軟X線照射と熱処理でそれぞれ、0.06eV、0.18eVであった。照射光子エネルギーがSi2pのエネルギー準位に近づくと、活性化が促進された。また、活性化率6.2×10^<-3>と低いが、100℃程度の低温処理でも、軟X線の効果により、活性化が促進された。さらに、Cu製冷却ホルダを用いて35℃で軟X線照射した場合、わずかにシート抵抗は減少した。以上のことからSi中のBの活性化は (1)Si2p準位の電子励起によるイオン化、(2)それに伴うクーロン斥力の発生、(3)クーロン斥力発生・格子振動の局所合成によるSi原子の原子移動の促進、(4)Si結品性回復およびSi原子移動によるB原子のノックノン効果によるB原子のSi格子位置への移動のプロセスが考えられる。

a-Ge, a-SiGe腹の軟X線照射結晶化における照射光子エネルギー依存性を検討した。Ge腹において蓄積リング電流値75mA、照射光子エネルギー100evにて、試料温度が380℃で結晶化が見られたが、130eVでは100eVの条件より試料温度が高い410℃にもかかわらず結晶化が見られなかった。このことから結晶化は温度効果よりも照射光子エネルギーに依存すると考えられる。また、軟X線照射により結晶化したSiGe濃度傾斜多層膜を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した。層界面では結晶格子が連なっており、軟X線照射結晶化では眉間に結晶方位関係を有する結晶成長が実現できることが明らかとなった。

従来の太陽電池の発電層の両端にMOS構造を設置し,電圧を印加する事により光生成キャリアの再結合を抑止できる.本研究ではn/p構造,n/i/p構造の積層方向を受光面に対して平行にした電界効果型太陽電池において,キャリア再結合抑制効果による最適な構造を変換効率から検討する.この結果から,p/n構造における最適な構造は受光幅を500μm,ドープ濃度を1×10^<17>cm^<-3>とする構造であり,膜厚に関してはどの膜厚においてもゲート電圧印加による変換効率の改善効果を得ることができることが明らかとなった.また,p/i/n構造のほうがp/n構造よりも優れたセル特性を示すことが明らかとなった.

太陽電池の変換効率を支配する要因の内分けの内、表面又はバルクにおけるキャリア再結合による損失は30%といわれている。我々は、このキャリア再結合による損失を改善するために従来の大量電池の発電層の両端にMOS構造を設置し、電圧を印加する事により太陽光により励起され、生成された電子と正孔を空間的に分離する事により再結合を抑制する事が出来ると考えた。本研究では上記の構造を持った新構造電界効果型太陽電池をコンピュータ上に作製し、その光発電をシミュレーションにより再現する事で発電層両端に設置されたMOS構造に電圧を印加する事により電子と正孔が空間的に分離できることを示し、従来の太陽電池に比べ高い発電効率を得ることが出来ることを示す。

我々はSi基板を用いて100nm程度のギャップを持つ電極を作製し,電極間に固定されたDNAに電荷保持特性がある事を報告した.本研究では,DNAチャネル/SiO2/Si(ゲート)構造におけるキャリア挙動について調査し,以下のことが明らかになった.1) dID/dVD 特性が極値を示す事は,DNAにトラップされた電子がチャネル中電界によりデトラップされたことを示唆する.2) デトラップされる電子の数はリフレッシュ電圧の大きさ,又は,印加時間と密接に関係しており,電圧が大きい程,又,印加時間が長い程,デトラップ電子の数は多い.3) DNAのトラップ位置はグアニンの禁制帯内の価電子帯端に近い位置と考えられる.

ガラス基板上に蒸着した非晶質Si,Ge,Si_xGe_<1-x>膜へ,NewSUBARU放射光施設の短尺アンジュレータ光源を用いた軟X線を照射して結晶化する新しい方法(軟X線照射法)を開発した。固相下における擬似核形成・粒成長の低温化を確認した.本方法の基本となる素過程は軟X線の光子エネルギーにより非晶質膜を構成する原子の内殻電子を局所的に励起させ,原子間のクーロン斥力により原子を移動させ,擬似結晶核を形成する事である.擬似結晶核の形成に対応して,粒成長の低温化をはかる事ができる.現状においてはSi,Ge,Si_xGe_<1-x>膜において,赤外線加熱による結晶化よりも約100℃低温において結晶化を実現している.

ガラス基板上に蒸着した非晶質Si,Ge,Si_xGe_<1-x>膜へ,NewSUBARU放射光施設の短尺アンジュレータ光源を用いた軟X線を照射して結晶化する新しい方法(軟X線照射法)を開発した。固相下における擬似核形成・粒成長の低温化を確認した.本方法の基本となる素過程は軟X線の光子エネルギーにより非晶質膜を構成する原子の内殻電子を局所的に励起させ,原子間のクーロン斥力により原子を移動させ,擬似結晶核を形成する事である.擬似結晶核の形成に対応して,粒成長の低温化をはかる事ができる.現状においてはSi,Ge,Si_xGe_<1-x>膜において,赤外線加熱による結晶化よりも約100℃低温において結晶化を実現している.

&nbsp;&nbsp;The effects of hydrogen in a-Si film on the growth of disk-shaped grain formed by excimer laser annealing (ELA) were investigated. For the energy density of 2500 J/m², the disk-shaped grain was not observed by scanning electron microscope. On the other hand, at the energy density of 3000 J/m², the disk-shaped grain was observed. The size of textured grain increased with increasing shot number. The area density of disk-shaped grain was constant in spite of increment of the shot number. In addition, the shot-number dependence of strain and crystal orientation differed between poly-Si films with and without disk-shaped grain. It is considered that the nucleation and growth of disk-shaped grain were suppressed by hydrogen. It is expected that the position and density of the disk-shaped grain can be controlled by hydrogen in a-Si film.<br>

SOI基板を用いて、100nmのギャップを持つソース/ドレイン電極間を繋ぐように形成したDNA分子の電荷保持特性を調査した.FET DNAのドレイン電流の増加は、I_d-V_d特性測定毎に観測された.私たちはこの現象の理由を次のように推測した。n+ドレイン電極から放出される正孔電流は、DNA分子内での電子のトラップにより増加する.しかしながら、すべてのフェルミエネルギーよりも大きな電子は、負のゲート電圧を印加することでDNA分子からデトラップされる.その結果、DNA FETのI_d-V_d特性が回復した.

結晶化が起こるには、結晶核形成と結晶粒成長の2つのプロセスを経る必要があるが、一般に結晶核形成には多くのエネルギーを必要とする。我々は軟X線照射により擬似的な結晶核を形成することで、半導体薄膜の低温結晶化を試みている。今回はa-Si膜とa-Ge膜の結晶化における軟X線照射の効果について検討した。Si膜とGe膜の結晶化温度は軟X線照射により680℃から580℃、500℃から420℃と低減した。この結晶化温度の低減は原子移動促進による擬似結晶核の形成によると考えられる。

1.7nmの窒化膜(SiN_x)を有するトンネリング誘電体TFT(Tunneling Dielectric Thin-Film Transistor:TDTFT)をボトムゲート構造で作製し,TDTFTと従来型TFT(Conv.TFT)のドレーン電流の温度依存性とその伝導機構について調査した.低温領域20〜300Kと高温領域293〜623Kにおける相互コンダクタンス(gm)の値をW/L=50μm/10μmのConv.TFTとTDTFTを用いI_d-V_g特性から算出した.20〜150Kの温度範囲においてTDTFTのドレーン電流はSiN_x膜による直接トンネリングが支配的となるが,150K以上の温度範囲においては見かけ上,熱活性化過程が支配的となる.一方,Conv.TFTは低温領域においてはチャネル領域のPoly-Siの浅い準位(〜0.01eV)を介した,高温領域においてはそれより深い準位(〜0.15eV)を介したプールフレンケル(Poole-Frenkel)機構が支配的である.

本研究では,Si基板を用いて100nm程度のギャップを持つ電極を作製し,電極間に固定されたDNAの伝導特性,及び,n^-Si基板をゲート電極とした3端子トランジスタ特性について調べる.その結果,DNA両端を固定した電極をもつ試料のみで伝導を確認した.この伝導は電極間に固定化されたDNA本体を流れるキャリアが担っていると考えられるが,バンド伝導であるかホッピング伝導であるかは不明である.又,トランジスタ特性に関しては,ゲート電圧の負方向への増加に従い,電流値が増加する事からホール伝導である事が確認され,又,電流飽和が観測された事から,5極管特性の傾向が見られた.ホールの起源は,n^-Si電極からの少数キャリヤであるホール注入と考えられる.DNAトランジスタに関して,ゲート電圧による電流値制御が可能であることが初めて明らかとなった.

エキシマレーザ・アニール法により形成したpoly-Si膜のディスク状結晶粒成長に対する水素の効果を検討した.レーザ照射密度250mJ/cm^2ではディスク状結晶粒は観察されなかったが,300mJ/cm^2ではわずかに観察され,ショット数が増加してもディスク状結晶粒の面密度および,粒径は変化しなかった.水素はディスク状結晶粒の核形成,核成長を阻害した.双晶がディスク状結晶粒の核と仮定すると,水素により双晶の形成が阻害されるために,ディスク状結晶粒の核形成が阻害されたと考えられる.

ペンタセン膜厚1,3,10,50nmの有機薄膜トランジスタ(OTFT)およびペンタセン縦方向評価試料を作製し,その電気特性のペンタセン膜厚依存性からキャリア伝導機構について検討した.膜厚3nm OTFTのソース・ドレイン電極間に20V印可した場合,ペンタセン膜厚方向とチャネル横方向の正味の電圧はそれぞれ16Vと2Vであり,電圧は主にチャネル横方向に印可されていた.On電流は膜厚3nmの0TFTの方が50mmのOTFTよりも高く,ペンタセン/SiO_2界面付近のポテンシャル分布計算から,3nmでは界面に三角ポテンシャルが形成されており,そのため,電流値が増加したと考えられる.

エキシマレーザ・アニール法により形成したpoly-Si膜のディスク状結晶粒成長に対する水素の効果を検討した.レーザ照射密度250mJ/cm^2ではディスク状結晶粒は観察されなかったが,300mJ/cm^2ではわずかに観察され,ショット数が増加してもディスク状結晶粒の面密度および,粒径は変化しなかった.水素はディスク状結晶粒の核形成,核成長を阻害した.双晶がディスク状結晶粒の核と仮定すると,水素により双晶の形成が阻害されるために,ディスク状結晶粒の核形成が阻害されたと考えられる.

ペンタセン膜厚1,3,10,50nmの有機薄膜トランジスタ(OTFT)およびペンタセン縦方向評価試料を作製し,その電気特性のペンタセン膜厚依存性からキャリア伝導機構について検討した.膜厚3nm OTFTのソース・ドレイン電極間に20V印可した場合,ペンタセン膜厚方向とチャネル横方向の正味の電圧はそれぞれ16Vと2Vであり,電圧は主にチャネル横方向に印可されていた.On電流は膜厚3nmのOTFTの方が50nmのOTFTよりも高く,ペンタセン/S10_2界面付近のポテンシャル分布計算から,3nmでは界面に三角ポテンシャルが形成されており,そのため,電流値が増加したと考えられる.

LPXを照射したa-Si膜を、ラマン分光法、分光エリプソメトリ、ESRを用いて解析した。LPX照射によりa-Si膜上部の屈折率、消衰係数、膜中のダングリングボンド数が変化していることが分かった。このことから擬似結晶核を形成するエンブリオの形成について議論する。また、全過程におけるLPX照射による低温結晶化についても擬似結晶核の生成と関連付けて議論する。

&nbsp;&nbsp;We investigated the characteristics of a-Si film with thicknesses of 1 and 50 nm those were irradiated by soft X-ray from the undulator source. The cohesion of Si atoms were observed after X-ray irradiation for 1 nm-thick a-Si, but it was not observed for 50 nm-thick a-Si. The average roughness Ra of 1 nm-thick-Si film were changed from 0.63 to 1.7 nm by soft X-ray irradiation. The electric resistivity of it also increased corresponding to the change of the surface roughness. Although the TO phonon peak was not observed for 1 nm-thick a-Si, it was observed for 50 nm-thick a-Si. For these phenomena, the mechanism that the electron excitation by photon becomes the trigger of the cohesion was discussed.<br>

アンジュレータ光源から発生した軟X線をa-Si膜(膜厚1,50nm)に照射したときの特性変化を検討した.照射前後で表面粗さRaは0.63nmから1.70nmへ変化した.これに対応して電気抵抗値も増加した.膜厚が薄い場合,単位原子当たりの光の吸収量が大きい.フォトンによるSi原子の振動励起がトリガーとなり,膜厚方向へ働く力が大きくなる.Si原子の移動が連続的に生じ凝集現象が起き,表面形状が変化したと考えられる.

加熱触媒体線で分解・生成した原子状水素をゲート絶縁膜に吹き付ける「原子状水素アニール(AHA)処理」を行うことで,絶縁膜の表面改質を行い,その上に形成されるペンタセン膜の膜質を変化させるとともに,有機薄膜トランジスタの特性を向上させることを試みた.AHA処理によりゲート絶縁膜(SiO_2)表面の還元反応が起こり,SiO_2の表面エネルギーが42dyne/cmから39dyne/cmに変化した.また,AHA処理によりペンタセン膜の結晶粒径は増加しなかったが,I_<on/off>が1桁向上し,閾値電圧も65Vから16Vに減少した.これは原子状水素によりSiO_2膜/Si基板界面付近の負電荷が除去されたためであると考えられる.

加熱触媒体線で分解・生成した原子状水素をゲート絶縁膜に吹き付ける「原子状水素アニール(AHA)処理」を行うことで,絶縁膜の表面改質を行い,その上に形成されるペンタセン膜の膜質を変化させるとともに,有機薄膜トランジスタの特性を向上させることを試みた.AHA処理によりゲート絶縁膜(SiO_2)表面の還元反応が起こり,SiO_2の表面エネルギーが42dyne/cmから39dyne/cmに変化した.また,AHA処理によりペンタセン膜の結晶粒径は増加しなかったが,I_<on/off>が1桁向上し,閾値電圧も65Vから16Vに減少した.これは原子状水素によりSiO_2膜/Si基板界面付近の負電荷が除去されたためであると考えられる.

レーザ・プラズマ軟X線(Laser Plasma Soft X-ray: LPX)照射、続いでエネルギー密度が40〜60mJ/cm^2でのエキシマ・レーザ・アニール(Excimer Laser Annealing: ELA)によるa-Si薄膜の結晶化について研究を行った。LPXを前処理として照射したのち、エネルギー密度が50-60mJ/cm^2のELAによるa-Si膜の結晶化においては、poly-Si結晶化率は75-85%であった。更に、前処理として電気炉を使用した実験結果と比較して、この現象がLPX照射による温度上昇に拠らないという事を示し、その機構に関しても若干議論する。

エキシマレーザアニール法によるpoly-Si膜の形成における水素の役割をa-Si膜中の水素に濃度分布を持たせることで検討した。低温プロセスでpoly-Si膜を形成する場合、a-Si膜中の水素濃度分布を制御することにより、良好なpoly-Si膜を得ることができることが示唆された。この理由として、水素が固化直前のSi溶融中に結晶核を形成することが考えられる。

エキシマレーザアニール法によるpoly-Si膜の形成における水素の役割をa-Si膜中の水素に濃度分布を持たせることで検討した。低温プロセスでpoly-Si膜を形成する場合、a-Si膜中の水素濃度分布を制御することにより、良好なpoly-Si膜を得ることができることが示唆された。この理由として、水素が固化直前のSi溶融中に結晶核を形成することが考えられる。

エキシマレーザアニール法によるpoly-Si膜の形成における水素の役割をa-Si膜中の水素に濃度分布を持たせることで検討した。低温プロセスでpoly-Si膜を形成する場合、a-Si膜中の水素濃度分布を制御することにより、良好なpoly-Si膜を得ることができることが示唆された。この理由として、水素が固化直前のSi溶融中に結晶核を形成することが考えられる。

触媒CVD(Cat-CVD)法を用いて、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子用水蒸気バリア膜として窒化シリコン(SiN_x)膜の低温形成を行った。原料ガス(SiH_4およびNH_3)にH_2を添加することにより、基板温度80℃以下で透明(波長400nmで光吸収率数%以下)かつ低内部応力(100MPa以下)の水蒸気バリア性の高いSiN_x膜を高速形成(100nm/min以上)できることを明らかとした。プラスチックフィルム上にSiN_x膜を形成した場合、水蒸気透過率はモコン法の検出限界以下であり、有機EL素子に実装試験を行った場合、実使用時間で少なくとも7000時間は劣化しないことを確認した。

触媒CVD(Cat-CVD)法を用いて、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子用水蒸気バリア膜として窒化シリコン(SiN_x)膜の低温形成を行った。原料ガス(SiH_4およびNH_3)にH_2を添加することにより、基板温度80℃以下で透明(波長400nmで光吸収率数%以下)かつ低内部応力(100MPa以下)の水蒸気バリア性の高いSiN_x膜を高速形成(100nm/min以上)できることを明らかとした。プラスチックフィルム上にSiN_x膜を形成した場合、水蒸気透過率はモコン法の検出限界以下であり、有機EL素子に実装試験を行った場合、実使用時間で少なくとも7000時間は劣化しないことを確認した。

触媒CVD(Cat-CVD)法を用いて、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子用水蒸気バリア膜として窒化シリコン(SiN_x)膜の低温形成を行った。原料ガス(SiH_4およびNH_3)にH_2を添加することにより、基板温度80℃以下で透明(波長400nmで光吸収率数%以下)かつ低内部応力(100MPa以下)の水蒸気バリア性の高いSiN_x膜を高速形成(100nm/min以上)できることを明らかとした。プラスチックフィルム上にSiN_x膜を形成した場合、水蒸気透過率はモコン法の検出限界以下であり、有機EL素子に実装試験を行った場合、実使用時間で少なくとも7000時間は劣化しないことを確認した。

Silicon nitride (SiN_x) films were deposited on Si substrates at 80℃ by using a catalytic chemical vapor deposition (Cat-CVD) technique to investigate the optimal deposition condition. SiH_4 flow rate was varied from 6 to 18 sccm. It is shown that the stress, Young's modulus, fracture toughness and film composition strongly depend on SiH_4 flow rate. These changes of film properties are related to the gases desorption from growing surface. The amount of the gases desorption reaction depends on deposition rate, that is, the rate of the Si-H insertion reaction. The desorption of hydrogen and ammonia gases from growing surface causes the shrinkage of the film surface, which generates tensile stress. Also, SiN_x films with high hydrogen contents show low stress, low Young's modulus and high fracture toughness.