【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】24246017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ドーパント / エピタキシャル成長 / ナノ構造 / EXAFS / レーザアニール / シリコン / アニール

【研究成果の概要】

LSI技術では、シリコン結晶の一部をドーパント原子に置換してキャリア源として利用されてきた。近年研究が盛んになって来た量子情報処理デバイスやスピントロニクスデバイスの開発には、シリコン結晶中の一部を磁性不純物原子に置換してスピン源としての利用が不可欠となる。
本研究では、ナノ構造の特異性を活用して、高濃度のスピン源不純物δドーピング技術の基盤技術を確立した。高濃度のδドーピングはビスマスとマンガンで実現できた。前者は10K程度での利用に限定されるが、多くの研究機関でシリコン結晶中ビスマスドーパントが検討されているように有望な量子情報プラットフォーム候補である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】44,850千円 (直接経費: 34,500千円、間接経費: 10,350千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】21226017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾプラズマ / シリコン / エピタキシャル成長 / 太陽電池 / シーメンス法 / クラスター / 単結晶シリコン / プラズマ加工 / エピタキシー / シーメンス / 収率

【研究成果の概要】

ウエーハ等価薄膜太陽電池製造を可能とする次世代シーメンス法開発に向け,製造装置や安全性も考慮したプロセスの低コスト化等の技術開発研究と,成膜前駆体としてのクラスターの成長・堆積過程の解明や励起水素原子密度の絶対計測等の学術研究との融合知を礎としたシリコン膜堆積の系統的実験により,シーメンス法の速度論的限界を超えた高歩留まり超高速エピ堆積を実証するとともに,メゾプラズマCVD法の特徴を明確化した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】161,200千円 (直接経費: 124,000千円、間接経費: 37,200千円)

【研究分野】機能材料・デバイス

【研究領域課題番号】16205022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エピタキシャル成長 / 窒化ガリウム / 電磁鋼板 / ユニバーサル結晶成長 / シリコン

【研究成果の概要】

安価な鉄板の一種である電磁鋼板は熱処理によってグレインサイズを最大数メートルにまで巨大化できることが知られている。本提案では、この電磁鋼板上に、ユニバーサル結晶成長という新技術で単結晶半導体シリコンをエピタキシャル成長させ、安価で柔軟な大面積半導体素子を作製することを研究の目的とした。先ず、本提案の構造を実現するために我々が従来使ってきたPLD法に加えパスルスパッタ堆積(PSD)法と呼ばれる新しい結晶成長手法を開発した。PSD法においては、金属原子を間欠的に高いエネルギー状態で供給することによって基板表面での原子拡散を促進し良質な結晶を得ることが可能となる。また、この手法は高スループット条件での大面積結晶成長が得意であり、将来の産業利用への技術移転時に有利である。この手法を用いて絶縁性のAlNバッファー層と導電性のHfNバッファー層の電磁鋼板上へのエピタキシャル成長を試み、極めて品質の高いHfNとAlNがエピタキシャル成長することを確認した。特にHfNバッファー層に関しては成長条件を制御することによって(100)面と(111)面の両者を作り分けることに成功した。さらに、これらのバッファー層上にSi(100)とSi(111)の成長を試み、高品質結晶の成長に成功した。このPSD法によって作製したHfNバッファー層やA!Nバッファー層には電磁鋼板とSiの反応を抑制するバリア効果があり、本構造は結晶成長やデバイス作製工程の高温熱処理に耐えるだけの耐熱性を有している。さらに、これらのSi薄膜を加工することによってショットキー型のダイオード素子を作製し、半導体素子としての動作を確認した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】50,180千円 (直接経費: 38,600千円、間接経費: 11,580千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】15360159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヘテロ構造 / フッ化カルシウム / フッ化カドミウム / シリコン基板 / 量子効果デバイス / 共鳴トンネルダイオード / サブバンド間遷移レーザ / 不揮発メモリ / シリコン / エピタキシャル成長 / 共鳴トンネル構造 / 量子カスケードレーザ / コバルトシリサイド / 微細加工 / 弗化カルシウム / 弗化カドミウム / 微分負性抵抗 / サブバンド / 微小孔 / ローカルエピタキシー

【研究成果の概要】

本研究では、絶縁体、半導体および金属をも包含する異種材料同士をナノメートル層厚でエピタキシャル積層した人工ヘテロ構造(≡超ヘテロナノ結晶)を次世代の新機能エレクトロニクス材料と位置付け、シリコン基板上にエピタキシャル成長可能な弗化物系絶縁物、半導体シリコン、およびシリサド系金属のエピタキシャル超格子の形成技法と、その量子効果デバイスへの応用を目指した研究を行い、下記の研究成果を得た。
1)フッ化カドミウム・フッ化カルシウムヘテロ超格子構造を、原子レベルで均一に形成するための基板平坦化技術を開発し、その技術を用いて近赤外波長領域で発光することが期待される量子井戸サブバンド間遷移発光素子を設計・製作したところ、波長1.6μm付近の発光を室温観測することに初めて成功した。また、今回の成果をレーザ発振へ結びつけるための光導波路構造形成プロセスを、ドライエッチングとフォトリソグラフィーを用いて開発した。今後多層超格子を形成し、レーザ素子の評価を行う。
2)LSI集積技術の中核となるシリコン(100)基板上に、本研究で提案する微小孔結晶成長法と、成長後のアニール技術を併用することにより、高い微分負性抵抗(>10^5)を有するフッ化カドミウム・フッ化カルシウム共鳴トンネルダイオード(RTD)構造のデモンストレーションに初めて成功した。この成果を受けて、今回実現したRTDをMOSトランジスタと集積する新不揮発メモリを提案するとともに、その作製プロセスの要素技術を確立した。今後、トランジスタ構造の作製と特性の評価を進める予定である。
3)シリコン基板に格子整合する可能性を有するベリリウム・亜鉛・セレン化合物ヘテロ構造をガリウム燐基板上に結晶成長する技術を開発し、紫外線(波長〜325nm)の光励起レーザ発振を初めて達成した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】14,500千円 (直接経費: 14,500千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】13650336 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化亜鉛 / シリコン / 弗化カルシウム / エピタキシャル成長 / 紫外線発光 / 同時ドーピング / スパッタ法 / ヘテロエピタキシー / 紫外発光 / アクセプタ

【研究成果の概要】

本研究では、次世代の光・電子融合集積システムの基盤となる材料として、シリコン基板上にエピタキシャル成長可能な弗化物系化合物弗化カルシウム(CaF_2)ならびに直接遷移型ワイドギャップ半導体酸化亜鉛(ZnO)およびBeZnSeで構成される人工ヘテロ構造を提案し、この材料構成を用いたナノメートルサイズの人工単結晶ヘテロ構造の創製と、その量子構造制御によるフォトニクス素子への応用,特に紫外線レーザを視野に含む発光素子への応用に関する研究を目的として研究を行なった。本年度は以下の研究成果を得た。
1)ZnO結晶品質の向上を目的として、酸素欠損欠陥を低減させるため酸素雰囲気中での高温(900〜1100℃)アニールを試みたところ,フォトルミネッセンス測定において、バンド端エキシトンからの発光ピークがアニール前の100倍以上にも向上し、良好な紫外線発光を示す結晶が得られた。
2)ホール注入層に用いるためのp型ZnOの実現を目指した不純物ドーピングによる伝導性制御の研究を行った。まず、p型化を困難にしているアクセプタの低活性化率、低固溶限を克服するため、第一原理計算を用いた理論予測を参考に、Ga(ドナー)とN(アクセプタ)の同時ドーピングを試みた。ターゲットとして酸化ガリウム+酸化亜鉛、スパッタガスとして2酸化窒素を用いて成長温度、スパッタ電力等の依存性を調べた結果、10^<20>〜10^<21>cm^<-3>の高濃度のNアクセプタがドーピングされていることが確認された。
3)シリコン基板上に形成されたエピタキシャル弗化カルシウム(CaF_2)と、紫外線発光ワイドギャップ直接遷移型混晶半導体BeZnSeのヘテロエピタキシャル成長を試みたところ、基板温度250℃でエピタキシャル成長することが確認された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】11650315 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化亜鉛 / シリコン / 弗化カルシウム / エピタキシャル成長 / 紫外線発光 / 同時ドーピング / スパッタ法 / 絶縁体半導体ヘテロ構造 / ナノクリスタルシリコン / 量子閉じこめ効果 / フォトルミネッセンス / 電流注入発光

【研究成果の概要】

本研究は、シリコン基板上にエピタキシャル結晶形成可能な絶縁体及び半導体超格子を用いた発光・受光デバイスを実現するための基礎研究として、これまで報告者らにより実現されたシリコン基板上へのナノクリスタル酸化亜鉛(ZnO)/弗化カルシウム(CaF_2)ヘテロ構造形成技術を確立し、さらに、その新しい材料系の光物性を明らかにするとともに、発光素子応用への基礎となる実験的・理論的研究を目的とする。この目的を達成するため、以下の成果を得た。
酸化亜鉛(ZnO)は約3.3eVのワイドバンドギャップを持つ直接遷移型半導体であることから、短波長、高効率の紫外域発光材料として期待されている。これまでに、シリコン基板上にエピタキシャル成長可能な弗化物系絶縁物弗化カルシウム(CaF_2)中にZnOのナノクリスタルの埋め込み構造が形成可能であることを初めて見出し、さらに、CaF_2をエネルギー障壁とするトンネル電流注入構造による発光を確認した。しかし価電子帯側の大きなエネルギー障壁が存在するため、ホールの注入が困難であり、わずかな発光しか得られない問題があった。そこで、本研究では以下の2つの観点で研究を行った。すなわち、1)ZnO結晶品質の向上、および2)ホール注入層に用いるためのp型ZnOの実現を目指した不純物ドーピングによる伝導性制御、の2点である。まず、ZnO結晶品質の向上を目的として、酸素欠損欠陥を低減させるため酸素雰囲気中での高温(900〜1100℃)アニールを試みたところ,フォトルミネッセンス測定において、バンド端エキシトンからの発光ピークが100倍以上向上し、良好な紫外線発光を示す結晶が得られた。また、ZnOのp型化に関しては,p型化を困難にしているアクセプタの低活性化率、低固溶限を克服するため、第一原理計算を用いた理論予測を参考に、Ga(ドナー)とN(アクセプタ)の同時ドーピングを試みた。ターゲットとして酸化ガリウム+酸化亜鉛、スパッタガスとして2酸化窒素を用いて成長温度、スパッタ電力等の依存性を調べた結果、10^<20>〜10^<21>cm^<-3>の高濃度のNアクセプタがドーピングされていることが確認された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】04650596 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査型トンネル顕微鏡 / 走査型トンネル分光法 / Si(シリコン) / Ge(ゲルマニウム) / ダイマー / エピタキシャル成長 / シリコン / ゲルマニウム / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

Si(001)面に蒸着した少量のSi、またはGe原子の配列と電子状態をSTM/STSで捉えた。蒸着Si、Ge原子は(001)面上でダイマー列に沿った方向に優先的に2次元成長する。ダイマー列終端部の原子配列に注目し、Si、Geの成長機構を検討した。基板温度300℃で成長させると、ダイマー列終端部の列の延長線上で、1ダイマー分だけ離れた下地ダイマー列上にダイマーが配置され、また、もう1ダイマー分だけ離れた下地ダイマー列上に1原子が配置される場合があることをSTM観察から見い出した。ダイマー列終端部は、基板ダイマー列方向に沿って拡散してきた原子を捕獲するが、必ずしもダイマーが連続的に配置されず、拡散原子は、ダイマー列延長線上の下地ダイマー列上で安定構造を取り得る。この配置のダイマーは、連続的に配置したダイマーと異なり、占有状態のSTM像で2原子が分離して観察される。この領域のスペクトルは、エネルギーギャップの増加と空状態密度の増加を示した。占有状態のダイマー結合軌道から変化して、列終端部での原子位置変化がsp^3混成度を減少させたことが示唆される。
Si-Ge混晶系で注目されている自然規則合金相の形成機構を解明するために、同一表面上のSiとGe原子をSTM/STSで識別できるかどうか検討した。STM/STSは、SiとGeのように電子構造が類似していると、種より配列に強く影響を受ける。そこで、深い準位のスペクトルに注目し、約-5Vまでの占有状態スペクトルを測定し、SiとGeの各々のスペクトルとの対応を調べた。Si(001)とGe(001)面のUPS測定では、SiとGe各々のダイマー結合よるE_F-3.0eVと-2.4eVのピークが現れる。Si(001)面上のGeダイマー上でこれらのピークに対応するトンネルスペクトルの減少と増加が観察された。この結果を基に、微傾斜Si(001)面上にGeをステップフロー成長させ、テラス上ステップ端周辺(Ge堆積領域)にGeに対応するトンネルスペクトルの変化を確認し、原子識別の可能性を示した。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】61460063 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固相成長 / 横方向成長 / SOI / 非晶質シリコン / 三次元集積回路 / 選択ドーピング / シリコン / 選択ドープ法 / MOSFET / 横方向固相成長 / 選択ドープ構造 / エピタキシャル成長 / イオン注入

【研究成果の概要】

非晶質Si膜の横方向固相成長法(LーSPE法)において、P原子を膜中に選択的に導入した場合の効果について検討し、実際にこの方法を用いて電効効果トランジスタを製作している。まず、選択ドープの方法には3種類あることを明らかにし、本研究では成長方向に選択性を持たせた場合と、表面に垂直な方向に選択性を持たせた場合とについて検討している。
成長方向への選択ドープでは、シードストライプに平行な幅2〜20μmの領域を残して、他の部分にP原子を3×10^<20>cm^<-3>程度ドープし、LーSPE成長を行なった。この結果、ノンドープ領域では成長速度が遅く、Pドープ領域は成長速度が速いことが明らかとなった。また膜中に製作したMOSFETにおいて、チャネル長2μmのデバイスで電子の移動度160cm^<-2>/VSが得られた。
次に、基板表面に垂直な方向への選択ドープに関して、LーSPE成長速度ならびに成長距離は、表面のPドープ層に大きく依存するが、非晶質Si膜厚には余り依存しないことを明らかにした。また、Pドープ層とノンドープ層との成長速度には顕著な差は見られず、成長端には1つの(111)ファセントが形成されることを明らかにした。さらに、このような成長特性は、成長端に形成される原子的に平坦な面上での核発生速度がP原子の存在によって加速されるというモデルで説明できることを示した。
最後に、多層に積層した非晶質Si膜を1回のアニールにより一括してLーSPE成長させる方法が、3次元ICの製作に適していることを明らかにし、その技術的問題点を検討した。最大の問題点として、上下を絶縁膜ではさまれた非晶質Si膜のLーSPE特性について検討し、絶縁膜がSiO_2の場合には膜厚を1.8μmまで厚くしても成長特性には大きな影響が表れないことを明らかにした。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1986 - 1987

【配分額】8,000千円 (直接経費: 8,000千円)