単結晶アルミナとシリコンによる極薄膜多層構造の量子デバイス応用への基礎研究

• 研究課題/領域番号: 10450118
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 石田 誠 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (30126924)
• 研究分担者: 澤田 和明 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (40235461)
• 研究期間 (年度): 1998 – 2000
• 研究課題ステータス: 完了 (2000年度)
• 配分額: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円); 2000年度: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 1999年度: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
• キーワード: SOI構造 / 単結晶Al_2O_3薄膜 / MBE法 / エピタキシャル成長 / 薄膜シリコン層 / 量子デバイス / 共鳴トンネル / 薄膜シリコン

研究概要

単結晶絶縁膜と半導体による量子構造デバイスをめざす基礎研究として、単結晶Al2O3絶縁薄膜とSi単結晶薄膜を2〜5nm程度の極薄い膜厚で、交互に積層させた多層極薄膜構造を形成することを目的とし,研究を開始した.研究の手法としてはガスソースと固体ソースを組み合わせた混成ソースMBE法により成長を行った.数nmのSi成長を制御可能な電子ビーム蒸着セルを新しく成長装置に設置することにより、Siエピタキシャル成長の条件とnmの膜厚制御を確立できたので,これらの条件をもとに極薄膜多層構造形成を行うことを目指した.
まず,量子井戸構造を形成する上で,障壁層の極薄膜単結晶Al2O3絶縁層の電気的な特性を評価したところ,2nm以下の厚さにおいても5MV/cm程度の絶縁特性が確認できた.その上への4nm以下のSi成長ではAl予備堆積法を用いることで高品質かつ膜厚の制御を可能とした.エピタキシャルSi/Al2O3構造のコンダクションバンドオフセットの値を,Fowler-Nordheimトンネル特性から導いたところ,約1.7eV程度であることがわかった.しかしながらこの値は鏡像効果などを考慮しておらず,実際はもう少し大きな値であると予想している.
以上のように量子井戸構造が形成できていることが確認できたので,エピタキシャルAl/Al2O3/Si/Al2O3/Si-subの共鳴トンネル構造を形成した.その電流-電圧特性を測定したところ,負性抵抗特性が観測でき,共鳴トンネル現象が確認できた.さらにAl/Al2O3/SiAl2O3/Si/Al2O3/Si-subの2重障壁共鳴トンネル構造の形成にも成功し,電気的な特性を測定することができた.これらの結果から、室温動作可能な平面型電子源への応用も期待される。

研究成果

• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Very thin and smooth epitaxial Al2O3 pre-layer on Si(111) using a protective oxide layer and Al predeposition"Ext.Abstracts of the 18th Electronic Materials Symposium. 237-240 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Hori et al.: "Fabrication of the Si/Al2O3/SiO2/Si structure by using the O2 annealed Al2O3/Si"Ext.Abstracts of the 1999 Int. Conf. On Solid State Devices and Materials. 237-240 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Ishida et al.,: "Effect of Al-predeposition layer on epitaxial silicon growth on Al2O3/Si(111) substrates"Thin Solid Films. 369[1,2]. 134-137 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Fabrication of the Si/Al2O3/SiO2/Si structure by using the O2 annealed Al2O3/Si"Jpn.J.Appl.Phys.. 39. 2078-2089 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "Formation of very thin epitaxial Al2O3 pre-layer with very smooth surface on Si(111) using protective oxide layer"Jpn.J.Appl.Phys.. 38. 2333-2336 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "High-quality silicon/insulator hetereoepitaxial structures formed by molecular beam epitaxy using Al2O3 and Si"J.Crst.Growth. 196. 88-96 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Ishida, Y.C.Jung, H.Miura, Y.Koji, K.Sawada, M.Yoshimoto, K.Mizuno, T.Miyashita, H.Maruta: "Effect of Al pre-deposition layer on the epitaxial growth of silicon on Al_2O_3/Si(111) substrates"Thin Solid Films. 369. 134-137 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Ishida, H.Hori, F.Kondo, D.Akai and K.Sawada: "Fabrication of the Si/Al_2O_3/SiO_2/Si Structure by Using the O_2 Annealed Al_2O_3/Si Structure"Jpn. J.Appl. Phys.. Vol.39, Part 1, No.4B. 2078-2082 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.C.Jung, H.Miura and M.Ishida: "Formation of Very Thin Epitaxial Al_2O_3 Pre-layer with Very Smooth Surface on Si (111) Using a Protective Oxide Layer"Jpn. J.Appl. Phys.. Vol.38, Part 1, No.4B. 2333-2336 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.C.Jung, H.Miura and M.Ishida: "Improvement of the surface morphology of the epitaxial γ-Al_2O_3 films on Si(111) grown using template growth with different temperatures by Al solid and N_2O gas source molecular beam epitaxy(MBE)"Journal of Crystal Growth. 201/202. 648-651 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.C.Jung and M.Ishida: "High-quality silicon/insulator heteroepitaxial structures formed by molecular beam epitaxu using Al_2O_3 and Si"Journal of Crystal Growth. 196. 88-96 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Yanagiya and M.Ishida: "Optical and Electrical Properties of Al_2O_3 Films Containing Silicon Nanocrystals"Journal of Electronic Materials. Vol.28, No.5. (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Kimura and M.Ishida: "Development of Surface Morphology of Epitaxial Al_2O_3 on Silicon by Controlling Reaction between Oxygen and Silicon Surface"Jpn. J.Appl. Phys.. Vol.38, Part 1, No.2A. 853-856 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Kimura, H.Yaginuma, A.Sengoku, Y.Moriyasu and M.Ishida: "Epitaxial Si on Al_2O_3 Films Grown with O_2 Gas by the Ultrahigh-Vacuum Chemical Vapor Deposition Method"Jpn. J.Appl. Phys.. Vol.37, Part 1, No.3B. 1285-1288 (1998)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Ishida, Y.C.Jung, H.Miura and K.Sawada: "Very Thin and Smooth Epitaxial Al_2O_3 Pre-layer on Si(111) Using a Protective Oxide Layer and Al Deposition"18th Electronic Materials Symposium EMS'99. 237-240 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Ishida, Y.C.Jung, H.Miura, Y.Koji and K.Sawada: "Effects and model of Al predeposition layer on epitaxial silikon growth onto Al_2O_3/Si(111) substrates"International Joint Conference on Silikon Epitaxy and Heterostructures(IJC-Si). (D-8). (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Hori, F.Kondo, D.Akai, K.Sawada and M.Ishida: "Fabrication of the Si/Al_2O_3/SiO_2/Si Structure by Using the O_2 Annealed Al_2O_3/Si Structure"1999 International Conference on Solid State Devices and Materials. 494-495 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Moriyasu, T.Morishita, M.Matsui A.Yasujima and M.Ishida: "Preparation of High Quality Silicon on Sapphire"Electrochemical Society. Vol.99-3. 137-142 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Ishida, Y.C.Jung and H.Muura: "Fabrication and properties of very thin single-crystalline Al_2O_3 films on Si"JSAP Catalos Number : AP993210. No.9. 12-17 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Very thin and smooth epitaxial Al2O3 pre-layer on Si(111) using a protective oxide layer and Al predeposition"Ext.Abstracts of the 18th Electronic Materials Symposium. 237-240 (1999)
• [文献書誌] H.Hori et al.: "Fabrication of the Si/Al2O3/SiO2/Si structure by using the O2 annealed Al2O3/Si"Ext.Abstracts of the 1999 Int.Conf.On Solid State Devices and Materials. 237-240 (1999)
• [文献書誌] M.Ishida et al.,: "Effect of Al-predeposition layer on epitaxial silicon growth on Al2O3/Si(111) substrates"Thin Solid Films. 369[1,2]. 134-137 (2000)
• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Fabrication of the Si/Al2O3/SiO2/Si structure by using the O2 annealed Al2O3/Si"Jpn.J.Appl.Phys.. 39. 2078-2089 (2000)
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "Formation of very thin epitaxial Al2O3 pre-layer with very smooth surface on Si(111) using protective oxide layer"Jpn.J.Appl.Phys.. 38. 2333-2336 (1999)
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "High-quality silicon/insulator hetereoepitaxial structures formed by molecular beam epitaxy using Al2O3 and Si"J.Crst.Growth. 196. 88-96 (1999)
• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Effect of Al predeposition layer on epitaxial growth of Silicon on Al_2O_3/Si(III) substrates"Thin Solid Films. (in press). (2000)
• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Very Thin and Soomth Epitaxial Al_2O_3 pre-layer on Si(III) using a protective oride layer and Al predeposition"Ext.Abstracts of The 18th Electronic Materials Symposium. 237-240 (1999)
• [文献書誌] H.Hori et al.: "Fabrication of the Si/Al_2O_3/SiO_2/Si structure by using the O_2 Annealed Al_2O_3/Si"Ext.Abstracts of the 1999 Int.Conf.on Solid State Devices and Materials. 494-495 (1999)
• [文献書誌] M.Ishida: "Fabrication of the Si/Al_2O_3/SiO_2/Si structure using O_2 annealed Al_2O_3/Si structure"Japan.J.Applied Physics. (in press). (2000)
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "Formation of very thin epitaxial Al_2O_3 prelayer on Si using a protective oxide layer" Jpn.J.Appl.Phys.(in press). (1999)
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "High-quality silicon/insulator heteroepitaxial structures formed by MBE using Al_2O_3 and Si" J.cryst.Growth. 196. 88-96 (1999)