半導体表面変性における水素原子の能動的作用の原子スケール解析

• 研究課題/領域番号: 09750035
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 表面界面物性
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 内藤 正路 九州工業大学, 工学部, 助手 (60264131)
• 研究期間 (年度): 1997 – 1998
• 研究課題ステータス: 完了 (1998年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 1998年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 1997年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
• キーワード: 走査トンネル顕微鏡 / シリコン / 薄膜 / 表面変性エピタキシー / 水素終端 / 表面構造 / 低速電子線回折 / イオン散乱分光法 / 表面変性エピタキシ-

研究概要

半導体表面・界面に存在する水素に関連した研究は、その物理的、化学的な性質を解明しようとする基礎的観点と水素終端表面に発現する新しい物性を半導体プロセスの低温化や薄膜の自己組織化による新機能誘起などに利用するという応用的観点の双方からその重要性が確認され、最近特に関心が高まっている。そこで、半導体表面に水素原子が吸着したときの、水素による表面物性・表面形態の変化を走査トンネル顕微鏡(STM)によって調べた。以下に得られた知見を示す。
(1) Si(100)表面上のBi一次元構造
Si(100)表面にビスマス(Bi)を吸着させた後、500℃付近でアニールをおこなうと、Bi-dimersで構成された一次元構造(Bi line構造)が形成された。この構造上には欠陥もほとんどなく、長さが300nm以上のものも観察された。この一次元構造はテラスに埋め込まれており、さらに非常に安定な構造であることがわかった。一次元構造に沿った方向に原子の拡散が促進され、それによって基板表面上にinletやpeninsulaを作ることが明らかになった。さらにこのようなBi line構造が存在する表面に原子状水素を曝露させ、そのときの構造変化をSTMにより調べた。それにより、一次元構造は吸着水素によって壊されることがわかった。
(2) Si(111)表面上の水素吸着
Si(111)表面に室温で水素を吸着させるとDAS構造のrestlayerとSi adatom clusterが観測された。さらに水素吸着によってrestlayerのfaulted側とunfaulted側を分けているdimer wallが移動することがわかった。この表面をアニールするとcraterが形成された。これはアニール時にSi adatomがclusterとして表面サイトから移動し、それによって局所的なSi原子不足になりcraterが形成されると考えられる。
[今後の研究計画]
シリコンカーバイド(SiC)は耐環境デバイスやパワーデバイス用半導体材料として注目されており、最近特に研究がなされている。しかしその表面構造などはまだ解明されていない。SiC表面上に及ぼす水素の影響を調べることによって、清浄表面構造の決定、水素による表面構造の制御や水素吸着による自己組織化への道を探る。

研究成果

• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Bismuth-induced surface structure of Si(100) studied by scanning tunneling microscopy" Applied Surface Science. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] A.Watanabe et al.: "Local charge redistribution at potassium adsorption on the Si(111)7×7surface:a scan-ning tunneling microscopy study" Surface Science. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Ga-rich Gap(001)(2×4) surface structure studied by low-energy ion scattering spec-troscopy" Surface Science. 402-404. 623-627 (1998)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Hydrogen-induced restructuring and crater formation at Si(111) surfaces:a scanning tunneling microscopy study" Japanese Journal of Applied Physics. 37. 2033-2034 (1998)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Hydrogen-induced reordering of the Si(111)(√<3>×√<3>)-Bi sreface studied by scanning tunneling microscopy" Applied Surface Science. 123-124. 171-176 (1998)
• [文献書誌] A.Watanabe et al.: "A scanning tunneling microscopy investigation of adsorption and clustering of potassium on the Si(111)7×7 surface" Japanese Journal of Applied Physics. 37. 3778-3781 (1998)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Hydrogen-induced restructuring and crater formation at Si(111) surfaces" Japanese Journal of Applied Physics. (印刷中). (1998)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Ga-rich GaP(001)(2×4)surface structure studied by low-energy ion scattering" Surface Science. (印刷中). (1998)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Hydrogen-induced reordering of the Si(111)(√<3>×√<3>)-Bi surface studied by STM" Applied Surface Science. 123-124. 171-176 (1998)
• [文献書誌] N.Oishi et al.: "An ISS study on Ga-dimer arrangement in the GaP(001)4×2 surface" Surface Review and Letters. (印刷中). (1998)
• [文献書誌] M.Naitoh et al.: "Scanning tunneling microscopy observation of bismuth growth on Si(l00)surface" Suface Science. 377-379. 899-903 (1997)
• [文献書誌] S.Nishigaki et al.: "Development of alkali-induced electronic states at GaAs(001)surfaces and their electron-transfer interaction with helium metastable atoms" Ultramicroscopy. (印刷中). (1998)