【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.13】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24KT2117
利用課題名 / Title
Al2O3エレクトレット膜の界面電位が結晶成長Siナノワイヤのピエゾ抵抗効果に及ぼす影響
利用した実施機関 / Support Institute
京都大学 / Kyoto Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
シリシリコンナノワイヤ,結晶成長,ピエゾ抵抗効果,コアシェル半導体,原子層堆積,エレクトレット,ナノワイヤー・ナノファイバー/ Nanowire/nanofiber,CVD,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,スパッタリング/ Sputtering,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
磯野 吉正
所属名 / Affiliation
神戸大学 大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
上杉晃生,井口慶人,安藤寛峻
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
KT-103：レーザー直接描画装置
KT-110：レジスト現像装置
KT-111：ウエハスピン洗浄装置
KT-203：電子線蒸着装置
KT-205：プラズマCVD装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
微小デバイスの高機能化や高付加価値化のため、半導体ナノ構造の利用が注目されてきた。それらを有効活用するためには基板上への集積技術を確立し、その材料特性を正確に把握することが重要である。
本研究では、Siナノワイヤ(SiNWs)構造の周囲に誘電膜を被覆して形成されるコアシェル構造における歪み誘起抵抗変化（ピエゾ抵抗効果）に注目する。これまでにSiCナノワイヤのコアシェル構造において、歪み誘起抵抗変化がシェル膜と周囲のゲート電位による表面ポテンシャルによって著しく変化することを報告している[1]。比較的低温で成長可能なSiナノワイヤにおけるそれを明らかにすることで高感度の力覚センサへの応用が期待され、また内部固定電荷密度を積極的に変調させたエレクトレット膜による影響を明らかにすることによって、新たなピエゾ抵抗係数の制御技術の確立が期待される。
本研究の実験では，幅10 µmの基板表面に設けたマイクロトレンチ（微細溝）内でSiナノワイヤを結晶成長させることで両端が基板に接続された架橋構造を集積形成し，4点曲げ法の応用によってSiナノワイヤにかかる引張り歪みを制御しながら電気伝導性の計測を行うことで，ピエゾ抵抗効果の評価を行う（図a）。Al2O3エレクトレット膜でコアシェル構造化したSiナノワイヤと，結晶成長させた状態(as-grown)のSiナノワイヤとの比較評価を行うことでエレクトレットシェル膜に由来する界面電位の影響を分析する。
実験 / Experimental
短冊型に切り出したSOI基板上にSiナノワイヤの集積領域となる溝構造を形成し，2段階のUVリソグラフィ工程（KT-103: レーザー直接描画装置で作成したフォトマスクを使用）を行うことで，直径60 nmの金ナノ粒子を側壁上にのみ配置した。これを触媒としてMACE法によるナノホール形成，VLS法によるSiナノワイヤのボトムアップ結晶成長を実施し、基板上面に対して平行で側壁に垂直なSiナノワイヤ架橋構造を形成した。この後に原子層堆積法を用いたAl2O3膜被覆、光電効果を応用した電子照射を行ってSiナノワイヤ周囲にエレクトレットシェル膜を形成し、最後に金属薄膜電極を形成して評価基板を作製した。
作製基板の上側が凸となるように4点曲げでたわませることでSiナノワイヤに引張歪みをあたえる。引張歪みを少しずつ増加させ、半導体パラメータアナライザでI-V計測（電圧電流計測）を実施して電気伝導率変化を測定し、ピエゾ抵抗効果を評価した。
結果と考察 / Results and Discussion
図bは孤立した金ナノ粒子を触媒として結晶成長したSiナノワイヤの電子顕微鏡観察像の例である。幅10 µmのマイクロトレンチ内で、根本側（成長開始側）直径約200 nm，先端側（成長到達側）直径約110 nmのSiナノワイヤが形成されて、トレンチの両側の側壁に接続された架橋構造が形成された。
図cはシリコンナノワイヤの引張ひずみ下での電気抵抗率変化の測定例を示したものである。As grownのSiナノワイヤと比較して、Al2O3エレクトレットシェル膜でコアシェル化した構造では、ピエゾ抵抗係数は7.4×10-11 Pa-1から8.3×10-11 Pa-1までの約12 %の増加がみられた。引張歪みを与えない状態での電気抵抗率はコアシェル構造体の方が約15 %低い計測結果が得られ、これらの結果は、内部に負の固定電荷をもつシェル膜から生じた電界がSiナノワイヤの電気伝導性およびピエゾ抵抗効果に影響をあたえたことを示すものである。今後、さらなる実験調査・分析を進める予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図 (a)シリコンナノワイヤのピエゾ抵抗効果の評価手法の概要。
(b)VLS結晶成長手法で形成・集積されたシリコンナノワイヤの架橋構造。
(c)シリコンナノワイヤの引張ひずみ下での電気抵抗率変化。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[参考文献]
[1] Akio Uesugi, Shinya Nakata, Kodai Inoyama, Koji Sugano and Yoshitada Isono,“Surface-potential-modulated piezoresistive effect of core–shell 3C-SiC nanowires”,Nanotechnology, Volume 33, Number 50 (2022).
[2] 長野貴哉，仲上達也，菅野公二，磯野吉正“Al₂O₃エレクトレット膜被覆Siナノワイヤのピエゾ抵抗効果”電気学会第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，2023年11月。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件