Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

Si / Ge / Heteropitaxy / Atomic-layer-epitaxy / STM / Surface structure / Precursor chemistry

本研究は原子層エピタキシー法(ALE)を用いて歪み制御Si/Ge原子層超格子をSiGe混晶上に作製し、その新物性発現を探索することを最終的な目的としている。本年度はSi/Ge原子層超格子を作製するとき必須となるALEによるSi表面へのGeのヘテロ成長(ヘテロALE)について研究を行った。
GeのALEは(CH_3)_2GeH_2と原子状水素の交互供給によって実現できている。これはホモ成長(ホモ ALE)の場合であるので、表面の化学的性質の大きく異なるSi表面へのヘテロ成長にはこのままでは適応できない。しかし、1原子層のGeをSi表面に形成しておけば、上述のALEの手法によってヘテロALEは実現できると考えた。1原子層のGeをSi表面に形成する方法については、Si清浄表面上でGeCl_4と原子状水素の交互供給法を行えば1原子層のGeがSi表面上に自己制限的に成長できる。本年度はこの表面に(CH_3)_2GeH_2と原子状水素の交互供給を行いGeのホモALEを試み、その成長過程を調べた。
まず、XPSによる評価から単原子層のGeが吸着したSi表面では下層Siの影響によってバルクGe表面とは水素の熱脱離速度などの化学的性質が変化して、ALEの発現条件がバルクGe表面とは大きく異なることがわかった。しかし、ALEの成長パラメータを調節することによって、Geが単原子層吸着したSi表面でもGeのヘテロALEが実現できることが確かめられた。また、STMによる表面超講造の評価およびCAICISSによる入射イオンの角度依存性から、このヘテロALEによるGeの成長層は臨界膜厚まで1サイクル当たり1原子層づつ層状に理想的な成長することがわかった。
したがって、本研究課題の成果を用いれば、原子スケールで膜厚が制御され、かつ急峻な界面構造を有するSi/Ge原子層超格子が形成できると結論した。

原子尺度 / 結晶成長 / 走査型トンネル顕微鏡 / Si / Geヘテロ構造 / エピタキシャル / 表面構造 / 微視的機構 / 島形成 / エピタキシャル成長 / 5×5構造 / 選択的吸着 / 超高真空 / モリブデンブル-ブロンズ / Si(111)、Si(100) / アンチモン(Sb) / 原子層ド-ピング / 半導体清浄表面 / 高速トンネル分光 / 慣性式移動方式

本研究の主眼は、結晶成長装置に装着可能な走査型トンネル顕微鏡(STM)を開発し、従来の方法では評価できなかった結晶成長にともなう表面原子の動き、表面構造の変化など原子尺度の知見を直接得ようとするところにある。まず、初年度において結晶成長装置に装着可能なSTMを考案し、そのために必要な新しい電子式粗動機構を開発した。一方、従来から利用されてきた機械式方式についても検討を加え、両者ともに小型化、結晶成長装置へのボルトオン装着が可能なことを示した。
また次年度では、試料の簡易移動方式を新たに開発するとともに、結晶成長にともなう温度ドリフトへの対策について検討した。その結果、律速された相の観察には必ずしも低温への急速冷却は必要なく、室温の試料移動機構を接触することによる冷却でも十分に有効であることが判った。
最終年度には、走査型トンネル顕微鏡によるSi系結晶成長観察を試みた。Si/Ge超格子のエピタキシャル成長の成長初期過程を表面構造の変化から捉え、Si/Geヘテロ構造の界面ゆらぎの原因を調べた。その結果、(111)面のGe成長では、局所的歪を緩和するためにテラス上での島形成がおこり、5×5と7×7の混在する再構成を示すことが判った。さらに、ステップ構造への選択吸着を発見し、この効果を利用して量子細線構造を作製する方法についても検討を加えた。
本研究で開発したSTMは超高真空下で原子像を観察できる能力を有し、かつ試料移動機構を備えていることから、実用化への重要な基礎になると考えられる。

【研究分担者】
片山良史	光技術研究開発株式会社	つくば研究所	研究開発部長
深津晋	東京大学	先端科学技術研究センター	助手	(Kakenデータベース)
魚住清彦	青山学院大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)