2017 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, 科学技術創成研究院, 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, 先端科学技術研究科, 助教 (30314537)
角嶋 邦之 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50401568)
若林 整 東京工業大学, 工学院, 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（Si） / ヒ素（As） / 二硫化モリブデン（MoS2） |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体のシリコン（Si）、シリコンカーバイド（SiC）、III-V族化合物半導体、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中にドープした不純物の砒素（As）では、As原子からの光電子ホログラフィーの測定実験と、領域内連携による第一原理計算を組み合わせて、三種類の異なる化学結合状態を持つAs原子のそれぞれの三次元的な原子配列構造を明らかにした。結合エネルギーの高い方から、それぞれSi結晶の格子置換位置の電気的に活性なAs、As原子がSiの空孔の周りの複数の光子置換サイトを占めるAsnV(n=2～4)タイプのクラスター構造をとって不活性化したAs、およびSiとAsの混合状態で局所的に結晶性が乱れた非晶質に近い構造をとる不活性化したAsであると結論した。
Siの極浅い表面近傍領域の不純物の活性化状態を、角度分解光電子分光の観測からサブバンド分散を評価し表面の反転層のポテンシャル分布から活性化した不純物の濃度を求める手法の研究も進めた。今年度は、ドープされたAsの表面での濃度がより高い試料を作製し、活性化したAsの濃度および活性化率を定量的に評価できた。上記の光電子ホログラフィーによる観測評価と相補的な手法であり、両方の評価結果から最表面での不純物の状態を決める議論を進めた。
MoS2の薄膜の特性制御の研究では、高純度スパッタ法の成膜技術を進化させている。これまで開発してきたプロセス技術を最適化することで、結晶性のよい薄膜が得られ、光電子分光スペクトルに現れる微細構造の解析検討を進めた結果、フォノンと価電子帯との特徴的な相互作用が新たに見出されるとう成果も得られた。
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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Asでホログラフィー解析から原子配列像を決める実験が一つの最終結論を得たのは大きな成果である。当初の予定より時間的に遅くなった面はあるが、領域内の理論班との連携から得られた知見は予想以上に多かったと言えるところもあり、成果としては確実に進展している。
MoS2に関しては、原子ホログラフィーの手法を適用して直接新しい知見を得るには結晶グレインのサイズを更に拡大する課題の解決などにまだしばらく時間を要する。しかし、周辺実験では当初予想していなかったバンド構造に関する新しい知見が得られており、この材料の構造解明とその高品質成膜技術の開発の目標には確実な進展があると言える。
以上より、総合的には概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
Si中Asの構造解析が達成できたのは、特定のプロセス条件でドーピングされた場合であった。今後、異なるプロセス条件でAsのクラスター構造がどのように変化するかなどを多角的に調べ、活性化濃度を高めるプロセス手法を明らかにしてゆく。具体的には、高温短時間の熱処理で非平衡的に高濃度活性を得るプロセスでのAsの挙動を明らかにし、また、理論的に予想が出て来た種類の異なる不純物元素を同時にドーピングするコドープの手法の有効性なども調べて行く。
また、As以外にも重要であるBおよびPについても、光電子ホログラフィーの可能性を探る。Bについては、初期の実験で、Si結晶のプラズモンロスピークの影響を強く受ける困難性が明らかになり、Pでも同様の影響が考えられているところであるが、光電子スペクトルからの信号解析の手法の改良も含めて精度の高いバックグラウンド除去法を探索し、有効なホログラムの取得に挑戦する。
GaN中不純物に関しては、MBE法での評価試料の作製を引き続き進め、非平衡度の高い状態での不純物ドーピングとその状況でのクラスタリングなども調べて行く。
MoS2に関しては、グレインサイズの拡大によって原子ホログラフィーでの構造を観測することを目指すとともに、最近明らかになった特有の電子状態の解明も進める。また、これまで追求してきた高純度化がかなり達成できて来たので、これを基にインテンショナルな不純物ドープによりその占有サイトと機能発現の関係理解の可能性を追求してゆく。
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[Journal Article] Individual Atomic Imaging of Multiple Dopant Sites in As-Doped Si Using Spectro-Photoelectron Holography2017
Author(s)
Kazuo Tsutsui, Tomohiro Matsushita, Kotaro Natori, Takayuki Muro, Yoshitada Morikawa, Takuya Hoshii, Kuniyuki Kakushima, Hitoshi Wakabayashi, Kouichi Hayashi, Fumihiko Matsui, and Toyohiko Kinoshita
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Journal Title
Nano Letters
Volume: 17
Pages: 7533～7538
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Analyses of 3D Atomic Arrangements of Impurity Atoms Doped in Silicon by Spectro-Photoelectron Holography Technique2018
Author(s)
Kazuo Tsutsui, Tomohiro Matsushita, Takayuki Muro, Yoshitada Morikawa, Kotaro Natori, Takuya Hoshii, Kuniyuki Kakushima, Hitoshi Wakabayashi, Kouichi Hayashi, Fumihiko Matsui, and Toyohiko Kinoshita
Organizer
18th Int. Workshop on Junction Technology (IWJT2018)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Atomic scale analyses of As doped in Si by soft X-ray photoelectron spectroscopy and spectro-photoelectron holography2017
Author(s)
Kotaro Natori, Tatsuhiro Ogawa, Takuya Hoshii, Tomohiro Matsushia, Takayuki Muro, Toyohiko Kinoshita, Yoshitada Morikawa, Kuniyuki Kakushima, Fumihiko Matsui, Kouichi Hayashi, Hitoshi Wakabayashi, Kazuo Tsutsui
Organizer
11th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’17
Int'l Joint Research
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