超高密度ナノドット超格子の形成とナノ物性評価

• 研究課題/領域番号: 15201023
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ナノ材料・ナノバイオサイエンス
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 市川 昌和 東京大学, 工学系研究科, 教授 (20343147)
• 研究分担者: 中村 芳明 東京大学, 工学系研究科, 助手 (60345105)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 49,140千円 (直接経費: 37,800千円、間接経費: 11,340千円); 2006年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2005年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円); 2004年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2003年度: 27,820千円 (直接経費: 21,400千円、間接経費: 6,420千円)
• キーワード: シリコン / ゲルマニウム / ナノドット / 超格子 / ルミネッセンス / 走査トンネル顕微鏡 / カソードルミネッセンス / フォトルミネッセンス / エレクトロルミネッセンス / 鉄 / シリサイド

研究概要

我々は、Si基板表面の第1層が酸化した極薄Si酸化膜を形成し、その表面にSiやGeを真空蒸着すると、超微細で超高密度のSiやGeの単結晶ナノドットが成長することを見出した。本研究においては、このナノドット成長技術を基礎にして、Si、Geのナノドット超格子を作成する技術、直接遷移型の半導体である鉄シリサイドのナノドット超格子を作成する技術、及びナノドット超格子の光・電子物性を評価する技術の開発を行った。
1.ナノドット超格子の形成
・Geナノドット超格子の形成:極薄Si酸化膜を形成したSi(001)表面にGeナノドットを作製し、さらにSi薄膜に埋め込むプロセスを繰り返すことにより、Geナノドット超格子を色々な条件で作製した。この作製過程で、Geナノドット間に残っている極薄Si酸化膜がSi薄膜の成長を阻害し、非発光準位が多数形成されるため、発光強度が低下することが、分かった。この問題を解決するため、Geを高温で少量蒸着し、残っている極薄Si酸化膜を分解する方法を開発した。このようにして作製した試料から、光通信で使用される波長領域(〜1.5μm)においてピークを持つフォトルミネッセンス(PL)を観測した。さらに、この試料をアニールすることにより、強い発光の観測に成功した。また、本試料に電極を形成して電流を流すことにより、PLと同様な波長分布を持つ強度の大きいエレクトロルミネッセンス(EL)の観測にも成功した。
・鉄シリサイドナノドット超格子の形成:極薄Si酸化膜上に、FeとSiを化学量論に従う比率(Fe : Si=1:2)で同時蒸着することにより、β-FeSi_2ナノドットを作製できた。さらに、このナノドットをSi薄膜中に埋め込むことにより、本ナノドット超格子の作製に成功した。このような試料のPL測定を行い、0.8eV付近にピークを持つスペクトルを得たが、欠陥からの発光の可能性もあり、今後の検討が必要である。
2.ナノドット超格子の光・電子物性評価技術
・走査トンネル分光法を用いて、Geナノドット中のキャリアーの量子閉じ込め効果や、クーロンプロッケード現象を室温で観測することに成功した。
・走査トンネル顕微鏡(STM)を用いたカソードルミネッセンス法(STM-CL)や、エレクトロルミネッセンス法(STM-EL)の開発を行った。STM-ELに関してはシステムを完成し、STM-CLに関しては目標性能を持つことを確認した。

研究成果

• [雑誌論文] Photoluminescence of Si layers grown on oxidized Si surfaces (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, Y.Nakamura, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 101
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum fluctuation of tunneling current in individual Ge quantum dots induced by a single-electron transfer (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, M.Ichikawa, K.Watanabe, Y.Hatsugai
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 90
  • NAID: 120007139104
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Influence of growth and annealing conditions on photoluminescence of Ge/Si layers grown on oxidized Si surfaces (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, S-P.Cho, Y.Nakamura, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 19
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nanostructures on oxidized Si surfaces fabricated with the scanning tunneling microscope tip under electron-beam irradiation (2007)
  • 著者名/発表者名: A.A.Shklyaev, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science and Technology B 24 ページ: 739-743
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Introduction to Engineering for Nanotechnology : surface engineering and self-organization technology (2007)
  • 著者名/発表者名: M.Ichikawa
  • 雑誌名: Introduction to Nanotechnology Series-IV ページ: 124-144
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Nanostructures on oxidized Si surfaces fabricated with the scanning tunneling microscope tip under electron-beam irradiation (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science and Technology B24 ページ: 739-743
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Photoluminescence of Ge/Si structures grown on oxidized Si surfaces (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, S.Nobuki, S.Uchida, Nakamura, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 88
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Observation of the quantum-confinement effect in individual β-FeSi_2 nanoislands epitaxially grown on Si(111) surfaces using scanning tunneling spectroscopy (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, R.Suzuki, M.Umeno, S-P.Cho, S.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 89
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Formation of ultrahigh density and ultrasmall coherent β-FeSi_2 nanodots on Si(111) substrates using Si and Fe codeposition method (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagatomi, S-P.Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 100
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Manipulating Ge quantum dots on ultrathin Si_xGe_<1-x> oxide films using scanning tunneling microscope tips (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, H.Takata, A.Masada, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Surface Science 600 ページ: 3456-3460
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Photoluminescence of Ge/Si structures grown on oxidized Si surfaces (2006)
  • 著者名/発表者名: A.A.Shklyaev, S.Nobuki, S.Uchida, Y.Nakamura, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 88
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Observation of the quantum-confinement effect in individual β -FeSi2 nanoislands epitaxially grown on Si(111) surfaces using scanning tunneling spectroscopy (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, R.Suzuki, M.Umeno, S-P Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 89
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Formation of ultrahigh density and ultrasmall coherent β -FeSi2 nanodots on Si(111) substrates using Si and Fe codeposition method (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagadomi, S-P Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 100
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Manipulating Ge quantum dots on ultrathin SixGei-x oxide films using scanning tunneling microscope tips (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, H.Takata, A.Masada, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Surface Science 600 ページ: 3456-3460
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Single and highly dense germanium/silicon nanostructures (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices 1 ページ: 337-387
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Photoluminescence of Ge/Si structures grown on oxidized Si surfaces (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, S.Nobuki, S.Uchida, Y.Nakamura, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 88
• [雑誌論文] Observation of the quantum-confinement effect in individual β-FeSi_2 nanoislands epitaxially grown on Si (111) surfaces using scanning tunneling spectroscopy (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, R.Suzuki, M.Umeno, S-P.Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 89
• [雑誌論文] Formation of ultrahigh density and ultrasmall coherent β-FeSi_2 nanodots on Si (111) substrates using Si and Fc codeposition method (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagadomi, S-P.Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 100
• [雑誌論文] Manipulationg Ge quantum dots on ultrarhin SixGel-x oxide films using scanning tunneling microscope tips (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, H.Tanaka, A.Masada, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Surface Science 600 ページ: 3456-3460
• [雑誌論文] Formation of strained iron silicide nanodots by Fe deposition on Si nanodots on oxidized Si (111) surfaces (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagatomi, S-P.Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Physical Review B72 ページ: 75404-75404
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Observation of the quantum confinement effect in individual Genanocrystals on oxidized Si substrates using scanning tunneling spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, K.Watanabe, Y.Fukuzawa, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Formation of ultrahigh density Ge nanodots on oxidized Ge/Si(111) surface (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagatomi, K.Sugie, N.Miyata, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 95 ページ: 5014-5018
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Formation of strained iron silicide nanodots by Fe deposition on Si nanodots on oxidized Si(111) surfaces (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagadomi, S.-P Cho, N.Tanaka, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Physical Review B 72
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Observation of the quantum confinement effect in individual Ge nanocrystals on oxidized Si substrates using scanning tunneling spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, K.Watanabe, Y.Fukuzawa, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Formation of strained iron silicide nanodots by Fe deposition on Si nanodots on oxidized Si(111) surfaces (2005)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Nakamura
  • 雑誌名: Physical Review B 72
• [雑誌論文] Observation of the quantum-confinement effect in individual Ge nanocrystals on oxidized Si substrates using scanning tunneling spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Nakamura
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87
• [雑誌論文] Formation of ultrahigh density Ge nanodots on oxidized Ge/Si (111) surface (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakamura, Y.Nagatomi, K.Sugie, N.Miyata, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 95 ページ: 5014-5018
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] 「ナノテクのための工学入門 : 表面工学と自己組織化技術」、ナノテクノロジー入門シリーズIV (2007)
  • 著者名/発表者名: 市川 昌和
  • 総ページ数: 21
  • 出版者: 共立出版
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] "Single and highly dense germanium/silicon nanostructures",Handbook of semiconductor Nanostructures and Nanodevices, Vol. 1 (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, M.Ichikawa
  • 総ページ数: 51
  • 出版者: American Scientific Publishers
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Shklyaev, M.Ichikawa
  • 総ページ数: 51
  • 出版者: AMERICAN SCIENTIFIC PUBLISHERS
• [産業財産権] GeSn半導体デバイスの製造方法 (2006)
  • 発明者名: 中村芳明, 市川昌和, 正田明子
  • 権利者名: 独立行政法人科学技術振興機構
  • 産業財産権番号: 2006-122795
  • 出願年月日: 2006-04-27
• [産業財産権] 半導体デバイスの製造方法 (2004)
  • 発明者名: 市川昌和, 中村芳明
  • 権利者名: 独立行政法人科学技術振興機構
  • 産業財産権番号: 2004-079028
  • 出願年月日: 2004-03-18
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 半導体デバイスの製造方法 (2004)
  • 発明者名: 市川昌和, 中村芳明
  • 権利者名: 独立行政法人科学技術振興機構
  • 産業財産権番号: 2004-218457
  • 出願年月日: 2004-07-27
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] GeSn半導体デバイスの製造方法 (2004)
  • 発明者名: 中村芳明, 市川昌和, 正田明子
  • 権利者名: 独立行政法人科学技術振興機構
  • 産業財産権番号: 2006-122795
  • 出願年月日: 2004-04-27
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 半導体デバイスの製造方法 (2003)
  • 発明者名: 市川昌和, 中村芳明
  • 権利者名: 化学技術振興機構
  • 産業財産権番号: 2004-218457
  • 出願年月日: 2003-07-27
• [文献書誌] Yoshiaki Nakamura: "Formation of ultrahigh density Ge nanodots on oxidized Si_xGe_<1-x>/Si(111) surfaces"Journal of Applied Physics (2004年5月に掲載予定). (2001)