シリコントランジスタのゲート制御による電子正孔系の形成と量子凝縮現象の発現

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半導体中で電子と正孔が共存する電子正孔共存系は，励起子，プラズマ，量子凝縮相などの多様な相を形成し，これまで基礎多体系物理の観点から広く調べられてきた．本研究課題では，量子凝縮相をエレクトロニクスに応用することを念頭に，シリコンにおいて量子凝縮相を観測し，これを電気的に制御することを最終目標としている．これまでに低温下でのシリコントランジスタのゲートパルス制御により，シリコン/シリコン酸化膜界面近傍において電子正孔共存系が形成されていることを確認した．具体的には，負の電圧をゲートに印加して正孔を界面に蓄積させておき(セット)，その後，ゲート電圧を短時間で正方向に切り替えることで(オン)，界面に蓄積した正孔の基板方向への流出を防ぎつつ，ソース/ドレインから電子を流入させて電子正孔共存系を形成する．本年度は，電子正孔再結合電流の精密計測により，電子と正孔の2層がシリコンの励起子ボーア半径程度(数ナノメートル)の距離で近接していることを明らかにした．具体的には，ゲートパルスのベース，および，振幅電圧をパラメータとして再結合電流を計測し，ゲートと正孔間，および，ゲートと電子間の容量をそれぞれ見積もり，容量値から電子正孔2層間の距離を算出した．また，再結合電流の温度の依存性についても調べ，共存系形成の限界温度が20ケルビン程度であることを示した．さらに，再結合電流のベース電圧依存性で観測された再結合電流の付加成分について解析したところ，シリコン/シリコン酸化膜界面の欠陥準位を介した再結合電流であることが明らかとなった．これにより，電子正孔共存系形成後の再結合成分と界面欠陥準位を介した再結合成分の2成分を区別することが可能となった．上記に加えて，量子凝縮相形成のために低温MOS界面評価にも着手した．具体的には，低温下の界面欠陥準位評価や，界面欠陥の高感度検出の手法開発を行った．