2017 Fiscal Year Annual Research Report
Silicene surrounded by oxide- Development using self-limitation of oxidation and oxidation-induced strain
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16H05969
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小川 修一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00579203)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リアルタイム光電子分光 / 熱酸化プロセス / 酸化反応速度論 / 歪み計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ケイ素（Si）原子1層の層状物質であるシリセンはトポロジカル絶縁体であることが予想されており、次世代の高速・省エネデバイスへの活用が期待される。熱酸化プロセスにおける酸化反応自己停止を用いることで、酸化膜で囲まれたシリセン（シリセンインオキサイド：SIO）を作製することを目的として研究を進めてきた。本年度は以下の知見を明らかにした。
1)前年度の研究において温度増加による酸化促進効果を明らかにしたが、デバイス微細化を見据え、プロセス温度の低温化が必要である。そのため、本年度ではO2圧力急増による酸化速度変化を系統的に調べた。その結果、酸化速度はO2圧力の1/2乗に比例するという結果が得られた。この結果は熱酸化プロセスが酸素供給律速ではないことを示しており、原子1層分のシリセンを残すためには好都合であることがわかった。
2)その一方で、酸化反応自己停止となる条件でSi基板を酸化させたにも関わらず、酸化反応が停止しない場合があることが明らかとなった。これは、光照射効果が原因ではないかと予測している。酸化反応はO2分子との電子授受であるため、p型かn型伝導かによって酸化反応速度が異なることは昨年度明らかにしたが、それに加え本年度では光電子分光のための高輝度放射光を当て続けた時と、光を当てないで作製した試料の酸化膜厚に大きな乖離があることがわかった。特に光照射時では歪みの大きさが小さくなっているにも関わらず、厚い酸化膜が形成されており、酸化反応における光照射効果を十分考慮しなければならないことを明らかにした。
3)酸化反応自己停止は酸化誘起歪みによって制御されるというモデルを実験的に実証するために、酸化誘起歪みを実際に計測する手法開発を進めた。本年度はトライアルとしてcontour法による歪み分析を試行した。
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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
i酸化反応自己停止条件の定量的指標の構築を目的としていたが、自己停止するはずの条件で酸化が進行してしまうという事態が生じた。この原因を考察し、光照射による寄与があることを実験的に突き止めることができ、対策も講じることができたが、酸化反応自己停止条件の定量的指標の構築という目的には若干遅れている。その一方で、酸化誘起歪みを実験的に検証するために、アメリカおよびドイツの研究グループと共同研究を開始した。
以上のことを総合的に考えると研究計画全体はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は29年度で得られた結果を発展させ、Si酸化反応自己停止条件の定量的指標の構築を目標とする。また、国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）による研究との相乗効果により、SOI基板作製プロセスの確立を目指す。具体的な研究推進方針は以下の通りである。
(1)Si酸化反応自己停止条件の定量的指標の構築：光照射効果による酸化反応促進の寄与を取り込んだモデルの構築を目指す。これを達成するために、完全暗室の条件で酸化させた試料の化学結合状態および酸化誘起歪み計測を行い、光の影響を完全に排除した条件での酸化反応速度を求め、これまでの結果と比較を行う。一方で、Si基板酸化における光照射の寄与を考える場合、バンドギャップのない金属基板酸化との比較は極めて有用である。本年度はSi基板に加えて金属基板でも光照射の影響を検討し、Si基板の結果との比較を行う。
(2)非平衡反応場における反応機構の解明：これまでの研究を通じて反応温度の急昇温やO2圧力の急増など、反応環境の急激な変化によって効率よく酸化反応を進められることがわかった。本年度は急速加熱機構を整備し、反応速度の昇温速度依存など、SIO基板を高効率に作製するために必要となる知見の蓄積を行う。これらの結果を総括し、SIO基板作製プロセスを完成させる。
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