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| シリコンスズ | |
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 <100> 方向から見た SiSn 格子の図。断面から遠いシリコン原子は、薄い青で表示されます。赤い原子は、シリコン格子点を占める Sn 原子です。 | |
| 材質タイプ | 合金 |
シリコンスズまたはSiSnは、一般的にSi (1-x) Sn xの形の合金を指す用語です。シリコン中のスズの分子比は、製造方法やドーピング条件によって変わります。一般的に、SiSnは本質的に半導体であることが知られており、[1]シリコンに少量のSnをドーピングするだけでもシリコン格子に歪みが生じ、電荷輸送特性が変化することがあります。[2]
理論的研究
いくつかの理論的研究は、SiSnが半導体であることを示しています。[3] [4] これらは主にDFTベースの研究です。これらの研究で得られたバンド構造は、シリコン格子にスズが含まれるとシリコンのバンドギャップが変化することを示しています。したがって、SiGeと同様に、SiSnはSn濃度を変数として使用して制御できる可変バンドギャップを持っています。2015年に、Hussainらは均質な急峻なpn接合ダイオードを使用して、スズの拡散に関連するバンドギャップの調整を実験的に検証しました。[5]
生産
SiSnは、いくつかの方法を用いて実験的に得ることができる。シリコン中の少量のSnについては、チョクラルスキー法がよく知られている。[6] [7] 過去には、シリコンへのスズの拡散も広範に試みられてきた。[8] [9] Snはシリコンと同じ原子価と電気陰性度を持ち、ダイヤモンド立方晶構造（α-Sn）で見つかる。したがって、シリコンとスズは、固体溶解度に関する4つのヒューム・ロザリー則のうち3つを満たしている。満たされていない唯一の基準は、原子サイズの違いである。スズ原子はシリコン原子よりもかなり大きい（31.8％）。これにより、シリコン中のスズの固体溶解度は低下する。[10]
電気性能
2013年に、SiSnをチャネル材料として使用した最初のMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）が発表されました。[11] この研究により、SiSnはMOSFET製造用の半導体として使用できること、およびシリコンの代わりにSiSnを使用する方が有利なアプリケーションがある可能性があることが判明しました。特に、SiSnトランジスタのオフ電流は、シリコントランジスタのオフ電流よりもはるかに低くなっています。[12] [13]そのため、SiSn MOSFETに基づくロジック回路は、シリコンベースの回路と比較して静的電力を消費しません。これは、バッテリー寿命を延ばすためにスタンバイ電力を削減する必要があるバッテリー駆動デバイス（LSTPデバイス）で有利です。
熱伝導率
Si-Sn合金は、Si-Ge、Ge-Sn、Si-Ge-Snのすべてのバルク合金の中で最も低い導電率（3 W/mK）を持ち、広く研究されているSi-Geの半分以下であり、2つの成分間の質量差が大きいことに起因しています。[14]さらに、薄膜では熱伝導率がさらに低下し、20 nm厚のSi-Sn、Ge-Sn、および三元Si-Ge-Sn膜では約1 W/mKに達し、これはアモルファスSiO 2の導電率に近くなります。[14] Snを含むIV族合金は、高効率の熱電エネルギー変換の可能性を秘めています。[14]
参照
参考文献
- ^ Jensen, Rasmus VS; Pedersen, Thomas G; Larsen, Arne N (2011 年 8 月 31 日). 「Si–Sn システムの準粒子の電子的および光学的特性」. Journal of Physics: Condensed Matter . 23 (34): 345501. Bibcode :2011JPCM...23H5501J. doi :10.1088/0953-8984/23/34/345501. PMID 21841232. S2CID 36811872.
- ^ Simoen, E.; Claeys, C. (2000). 「シリコンにおけるスズドーピング効果」. Electrochem. Soc. Proc . 2000–17: 223.
- ^ Amrane, Na.; Ait Abderrahmane, S.; Aourag, H. (1995 年 8 月). 「GeSn および SiSn のバンド構造計算」.赤外線物理と技術. 36 (5): 843–848. Bibcode :1995InPhT..36..843A. doi :10.1016/1350-4495(95)00019-U.
- ^ ザウイ、A.;フェルハト、M.セルティエ、M.ケリファ、B.アウラグ、H. (1996 年 6 月)。 「SiSn と GeSn の光学特性」。赤外線の物理学とテクノロジー。37 (4): 483–488。Bibcode :1996InPhT..37..483Z。土井：10.1016/1350-4495(95)00116-6。
- ^ Hussain, Aftab M.; Wehbe, Nimer; Hussain, Muhammad M. (2015年8月24日). 「SiSnダイオード：理論分析と実験検証」（PDF） .応用物理学レター. 107 (8): 082111. Bibcode :2015ApPhL.107h2111H. doi :10.1063/1.4929801. hdl : 10754/576462 .
- ^ Claeys, C.; Simoen, E.; Neimash, VB; Kraitchinskii, A.; Kras'ko, M.; Puzenko, O.; Blondeel, A.; Clauws, P. (2001). 「酸素析出と放射線耐性を制御するためのシリコンのスズドーピング」. Journal of the Electrochemical Society . 148 (12): G738. Bibcode :2001JElS..148G.738C. doi :10.1149/1.1417558.
- ^ Chroneos, A.; Londos, CA; Sgourou, EN (2011). 「チョクラルスキーシリコンにおける酸素および炭素関連欠陥に対するスズドーピングの影響」(PDF) . Journal of Applied Physics . 110 (9): 093507–093507–8. Bibcode :2011JAP...110i3507C. doi :10.1063/1.3658261.
- ^ Kringhøj, Per; Larsen, Arne (1997年9月). 「シリコン中のスズの異常拡散」. Physical Review B. 56 ( 11): 6396–6399. Bibcode :1997PhRvB..56.6396K. doi :10.1103/PhysRevB.56.6396.
- ^ Yeh, TH (1968). 「シリコンへのスズの拡散」.応用物理学ジャーナル. 39 (9): 4266–4271. Bibcode :1968JAP....39.4266Y. doi :10.1063/1.1656959.
- ^ 赤坂陽一;堀江和夫;中村源四郎。塚本勝弘；行本義則（1974年10月） 「後方散乱解析によるシリコン中への錫拡散の研究」。応用物理学雑誌。13 (10): 1533 ～ 1540 年。Bibcode :1974JaJAP..13.1533A。土井：10.1143/JJAP.13.1533。S2CID 121383273。
- ^ Hussain, Aftab M.; Fahad, Hossain M.; Singh, Nirpendra; Sevilla, Galo A. Torres; Schwingenschlögl, Udo; Hussain, Muhammad M. (2013). 「LSTP デバイス アプリケーション用のチャネル材料としての SiSn の調査」.第 71 回デバイス リサーチ カンファレンス. pp. 93–94. doi :10.1109/DRC.2013.6633809. ISBN 978-1-4799-0814-1. S2CID 42075329。
- ^ Hussain, Aftab M.; Fahad, Hossain M.; Singh, Nirpendra; Sevilla, Galo A. Torres; Schwingenschlögl, Udo; Hussain, Muhammad M. (2014 年 1 月 13 日). 「スズ - シリコン電界効果トランジスタの意外な味方?」Physica Status Solidi RRL . 8 (4): 332–335. Bibcode :2014PSSRR...8..332H. doi :10.1002/pssr.201308300. S2CID 93729786.
- ^ Hussain, Aftab M.; Fahad, Hossain M.; Singh, Nirpendra; Sevilla, Galo A. Torres; Schwingenschlögl, Udo; Hussain, Muhammad M. (2013). 「シリコン CMOS のパフォーマンスを向上させるための錫 (Sn)」2013 IEEE 第 8 回ナノテクノロジー材料およびデバイス会議 (NMDC)。pp. 13–15。doi :10.1109/ NMDC.2013.6707470。ISBN 978-1-4799-3387-7. S2CID 21059449。
- ^ abc Khatami, SN (2016). 「二元系および三元系IV族合金Si-Sn、Ge-Sn、およびSi-Ge-Snの格子熱伝導率」。Physical Review Applied . 6 (1): 014015. Bibcode :2016PhRvP...6a4015K. doi :10.1103/physrevapplied.6.014015.