2015 Fiscal Year Annual Research Report
半導体中不純物の3D構造制御と低損失・高効率デバイスの開発
| Project Area | 3D Active-Site Science |
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| Project/Area Number |
26105014
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
筒井 一生 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (60188589)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武田 さくら 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教 (30314537)
角嶋 邦之 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (50401568)
若林 整 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (80700153)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 半導体 / 不純物 / 光電子ホログラフィー / 光電子回折 / シリコン / 硫化モリブデン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体のシリコン（Si）、窒化ガリウム（GaN）、層状物質半導体の硫化モリブデン（MoS2）等の活性サイトになる不純物の構造を光電子ホログラフィー等の本領域の評価手法を用いて明らかにし、デバイス高性能化のプロセス技術を提案することを目的としている。
Si中では、高濃度ドープした不純物のヒ素（As）に対して、放射光施設SPring-8の軟X線ビームの励起を用いてAs原子の内殻（As 3d）光電子回折像を得ることに成功した。Si中には、3つの異なる化学結合状態が化学シフトとして観測され、それぞれの結合エネルギーを持つAsからの光電子をエネルギー分解して対応するAsからの光電子回折像を抽出できた。最も結合エネルギーの高いAsでは、Siの単結晶で得られる回折像と同一の特徴を持つ回折像が得られ、このAsがSi結晶の格子位置を置換する位置に存在することを直接示唆する結果となった。また、最も結合エネルギーの低いAsでは、明確な回折像は現れず、こちらのAsはランダムな構造を持ってSi中に存在すると推測された。
GaN中の不純物の評価の研究においては、既存の分子線エピタキシー装置にGaNのエピタキシャル成長のための窒素ラジカル源等を整備し、エピタキシャル成長による評価試料作製の準備が整った。
MoS2に対しては、不純物制御の第一段階として自然混入の不純物を排除して高純度・高特性の薄膜をスパッタ法で作製することを進めた。その結果、残留不純物を約2桁低減し、電子移動度を約3倍高めることができた。一方、領域内の共同研究により結晶グレインの大きさの評価も進めた。現状ではまだグレインサイズは原子ホログラフィーの適用には充分な大きさではないことがわかり、グレインサイズの拡大にも取り組んでいるところである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Si中の不純物からの光電子回折像が得られたことは、本研究課題の主要な目標をほぼ達成できたと言え、明確な進展と言える。この研究は、当初よりSi中の不純物としてはBを対象に行ってきた。しかし、Bの場合、その光電子スペクトルが母材結晶のSiのプラズモンロスピークとエネルギー上で重なる状況があり、そのために、Bからの光電子の回折をSiによる回折から分離して真のBからの回折像を得るのに予想以上の困難があった。それに対し、この問題を回避できるAsに観測対象を切り替えたことにより、今回の成果を得ることができた。なお、Bの場合のデータ処理法の検討は、今後、Asに対するより精度の高い議論とホログラフィーによる可視可に対しても有用な知見となるはずである。
GaN、MoS2に関しては、明確な成果を得るに至っていないが、その準備研究として開始し、その範囲でそれぞれ一定の進展を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
Si中のAsについては、ピーク分離、バックグラウンド処理の精度向上を図り、回折像から光電子ホログラフィーによる3D構造の再現を実現する。また、この過程で、シミュレーションにより可能性のあるAs原子の置換サイトやクラスター構造から光電子回折の状態、および内殻光電子エネルギーの化学シフトの推測を行い、これらを実験データと照合することから、格子サイト置換以外のAsの３Ｄ構造の推定を進める。また、Si中のリン(P)に対する同様の解析実験や、既にデータを蓄積しているBについての再評価も進める。
GaN中の不純物については、準備の整ったエピタキシャル成長環境を使って、n形のSiドープを中心とした評価用エピ成長を実施し、不純物Siの置換サイトの観測評価を開始する。また、バルク基板を用いて、p形のMgドープの評価も行う。
MoS2に対しては、高純度化された薄膜において、角度分解光電子分光によるエネルギーバンド構造の解析を行うとともに、グレインサイズの拡大を図り、不純物の占有サイトの情報を得ることを目標に進める。これにより、不純物のサイトと電気的特性との関係を明らかにしてゆく。
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