2018 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of new optical function by a control of band orbital hybridization in semiconducting silicides
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18H01477
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
寺井 慶和 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (90360049)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | シリサイド半導体 / バンド軌道制御 / 光学機能の創出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリサイド半導体β-FeSi2の伝導帯下端と価電子帯上端はFeの3d軌道成分が支配的であり、この3d軌道バンドに起因してβ-FeSi2は特徴ある光学機能を発現する。しかし、3d電子の軌道は異方性が大きいため、電子・正孔の局在性が強くなる。また、選択則から3d－3d準位間の遷移は禁制遷移であるため、伝導帯(3d)－価電子帯(3d)間の光学遷移確率（振動子強度）が極めて小さくなるデメリットがある。β-FeSi2のデバイス特性を改善するには、3d軌道バンドの特徴（利点）を失わず、このデメリットを抑制または解消する新たな学術研究が必要不可欠である。そこで本研究課題では、8族元素であるFeの一部を同族元素のRuで置換したβ-(Fe1-xRux)Si2に着目した。β-FeSi2とRu2Si3の混晶半導体であるβ-(Fe1-xRux)Si2の価電子帯では、Si 2p軌道とFe 3d軌道が混成したpd混成軌道バンドが形成され、その軌道混成度はRu組成により制御できると期待される。この価電子帯でのpd混成軌道バンド形成により、β-(Fe1-xRux)Si2では3d軌道バンドの利点が失われず、デメリットである正孔の局在、バンド間禁制遷移が解消できると考えられる。本研究課題では、実際に分子線エピタキシー法とマグネトロンスパッタリング法によりβ-(Fe1-xRux)Si2薄膜をSi基板上に作製し、電気および光学評価によりpd混成軌道バンド形成の検証を目的としている。
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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
β-(Fe1-xRux)Si2薄膜の作製を念頭に、2018年度は本研究グループで作製実績のなかったRu2Si3薄膜の作製と、その物性評価を行った。まずはマグネトロンスパッタリング法によるSi基板上のRu2Si3薄膜の作製を目指し、その作製条件の最適化を行った。その結果、Ru : Si組成比が2 : 3の膜厚約800 nmのRu2Si3多結晶薄膜の作製に成功した。そのRu2Si3多結晶薄膜の電気特性を評価した結果、残留電子濃度が1×1016 cm-3、電子移動度が930 cm2/V∙sという値が得られた。この残留キャリア濃度は、従来報告値より2桁以上低い値であり、高移動度を示すことから高品質Ru2Si3多結晶薄膜が作製できた判断される。また、光学特性評価から単結晶とほぼ同じバンドギャップ(0.75 eV@300K)と誘電関数を示すことを確認した。そして、低温における発光特性評価では、約0.8 eV付近にRu2Si3のバンド間遷移による発光をはじめて観測した。
一方、β-(Fe1-xRux)Si2薄膜を作製した際には、RuがFeサイトを置換しているかの確認が必要となる。ラマン分光法によるFe－Fe振動の波数位置測定が原子置換の評価方法として適しているが、β-FeSi2の4つのFe－Fe振動モード（Ag, B1g, B2g, B3g）と波数位置との対応関係が未知であった。そこで、β-FeSi2エピタキシャル膜において偏光ラマンスペクトルを測定し、ラマン散乱強度の試料回転角度依存性の解析から、各モードの波数位置の同定に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度の研究成果により、発光を示す高品質Ru2Si3多結晶薄膜の作製に成功し、β-FeSi2のFe－Fe振動のモード同定にも成功した。これらの成果により、β-(Fe1-xRux)Si2薄膜を作製する下地と、その評価技術が構築できたといえる。2019年度はマグネトロンスパッタリング法によりβ-(Fe1-xRux)Si2混晶半導体の作製に取り組む。Ru組成の異なるβ-(Fe1-xRux)Si2多結晶薄膜を系統的に作製し、ラマン分光法によりRu置換率を評価する。また、変調分光法によるバンド構造評価技術を構築し、pd混成軌道バンドの形成を検証する。その際、Ru組成に依存してpd混成軌道バンドのp軌道寄与度が変化するかを検証し、その最適化を行う。その後、光学特性評価、発光スペクトル評価を行い、pd混成軌道バンドの形成による光学特性の向上について調べていく。上記のβ-(Fe1-xRux)Si2多結晶薄膜の作製と評価と平行して、Si基板上のβ-(Fe1-xRux)Si2エピタキシャル膜の作製にも取り組む。申請者等の研究により、Si基板上のβ-FeSi2ではSi基板から導入されるひずみによりβ-FeSi2のバンド構造が変化することが実証されている。Si基板上のβ-(Fe1-xRux)Si2エピタキシャル膜においても、ひずみ導入によるバンド構造変化が期待されるため、pd混成軌道バンドの形成とともに、ひずみとバンド構造変化についても評価していく予定である。
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