酸化膜で囲まれたシリセン －酸化反応自己停止と酸化誘起歪みを用いた作製法の開発

• 研究課題/領域番号: 16H05969
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: ナノ材料工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 小川 修一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00579203)
• 研究協力者: 高桑 雄二
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円); 2018年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2017年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2016年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: 熱酸化 / シリセン / 酸化誘起歪み / 点欠陥 / リアルタイム光電子分光 / 熱酸化プロセス / 酸化反応測度論 / 歪み誘起反応工学 / 半導体超微細化 / 電子・電気材料 / 酸化反応速度論 / 歪み計測 / 表面・界面物性 / 酸化反応自己停止 / シリコン熱酸化 / 歪み誘起反応制御

研究成果の概要

優れた電気特性をもつシリセン（ケイ素の原子1層分の薄膜）をケイ素ウェハの酸化によって作製することを目的として、熱酸化の進行が止まる酸化自己停止のメカニズムを調べた。その結果、酸化によって発生する格子の歪みが原因であることがわかった。歪みを緩和するために形成される欠陥がなくなれば酸化反応は停止し、原子1層残して反応を止めることも可能となる。しかしながら、わずかでも光が存在していると酸化は自己停止しないこともわかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究によりケイ素の酸化反応が自己停止する条件を明らかにすることができた。これにより、絶縁体かつ保護膜として機能するSiO2に囲まれたシリセンを作製できる可能性が高まった。酸化膜で囲まれたシリセンを酸化反応のみで作製できれば、現在の電子デバイスよりも低消費電力で高性能なものが作製可能である。しかしながら現状ではシリセンの電気特性など明らかになっていない点も多く残っているため、今後さらなる研究が必要とされる。

研究成果

• [国際共同研究] フリッツハーバー研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] ケースウエスタンリザーブ大学(米国)
• [雑誌論文] 光電子分光法によるSi表面酸化プロセス反応速度と 酸化誘起歪みの同時観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小川修一、吉越章隆、高桑雄二
  • 雑誌名: 表面と真空 巻: 62
  • NAID: 130007662229
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Band alignment determination of bulk h-BN and graphene/h-BN laminates using photoelectron emission microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Shuichi、Yamada Takatoshi、Kadowaki Ryo、Taniguchi Takashi、Abukawa Tadashi、Takakuwa Yuji
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 125 号: 14 ページ: 144303-144303
  • DOI: 10.1063/1.5093430
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interfacial oxidation kinetics at SiO2/Si(001) mediated by the generation of point defects: Effect of raising O2 pressure (2018)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Shuichi、Takakuwa Yuji
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 号: 7 ページ: 075119-075119
  • DOI: 10.1063/1.5034395
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polarity identification of ZnO(0001) surface by reflection high-energy electron diffraction (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Horio, J. Yuhara, Y. Takakuwa, S. Ogawa, and K. Abe
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 57 号: 4 ページ: 045701-045701
  • DOI: 10.7567/jjap.57.045701
  • NAID: 210000148836
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of SiO2/Si(001) interfacial oxidation induced by thermal strain during rapid thermal oxidation (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ogawa, J. Tang, A. Yoshigoe, S. Ishidzuka, Y. Takakuwa
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 145 号: 11 ページ: 114701-114701
  • DOI: 10.1063/1.4962671
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Detection of molecular oxygen adsorbate during room-temperature oxidation of Si(100)2×1 surface: In situ synchrotron radiation photoemission study (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Yoshigoe, Y. Yamada, R. Taga, S. Ogawa, Y. Takakuwa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 10 ページ: 100307-100307
  • DOI: 10.7567/jjap.55.100307
  • NAID: 210000147114
  • 査読あり
• [学会発表] リアルタイムXPSによるSi表面酸化プロセスの反応速度・酸化誘起歪みの同時観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小川修一
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] O2 Pressure Dependence of Oxidation Rate on p- and n-Si(001) Surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekihata, S. Ogawa and Y. Takakuwa
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior of Ni Vacancy during Oxidation on Ni(111) Surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Binguo Zhang, Shuichi Ogawa, Yuji Takakuwa
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
  • 国際学会
• [学会発表] O2 pressure dependence of initial oxidation kinetics on Ni(111) surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Ogawa, R. Taga, T. Ozaki, A. Yoshigoe, and Y. Takakuwa
  • 学会等名: The 34th European Conference on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] Photo-induced enhancement of oxidation on p- and n-type Si(001) surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekihata, S. Ogawa, A. Yoshigoe, R. Taga, A. Klyushin, E. Carbonio, A. Knop-Gericke, and Y. Takakuwa
  • 学会等名: The 34th European Conference on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] リアルタイム光電子分光による表面反応プロセスの解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小川修一
  • 学会等名: 2018年度微細構造解析プラットフォームシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化Ni(111)表面の還元過程：真空およびH2中加熱の比較 (2018)
  • 著者名/発表者名: 多賀 稜，小川 修一，尾崎 司，吉田 光，吉越 章隆，髙桑 雄二
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] リアルタイム光電子分光による Si(001)基板初期酸化過程における p 型 n 型伝導度依存の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堰端勇樹，多賀稜，小川修一，髙桑雄二
  • 学会等名: 平成28年度日本表面科学会東北・北海道支部講演会
  • 発表場所: 秋田大学（秋田県秋田市）
  • 年月日: 2017-03-09
• [学会発表] 圧力急増によるSiO2/Si(001)界面酸化促進とその律速過程の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小川修一, 高桑雄二
  • 学会等名: 第78回応用物理学会 秋季学術講演会,
• [学会発表] Comparison of Initial Oxidation Kinetics between p- and n-type Si(001) Surfaces Studied by Real-time Photoelectron Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekihata, S. Ogawa, A. Yoshigoe, R. Taga, S. Ishidzuka, Y. Takakuwa
  • 学会等名: AVS 64th International Symposium & Exhibition 2017
  • 国際学会
• [学会発表] O2 Pressure Dependence of SiO2/Si Interfacial Oxidation Rate Studied by Real-time Photoelectron Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Ogawa, A. Yoshigoe, S. Ishidzuka, Y. Takakuwa
  • 学会等名: AVS 64th International Symposium & Exhibition 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Photo-Induced Enhancement of Oxidation on p- and n-type Si(001) surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekihata, S. Ogawa, Y. Akitaka, R. Taga, A. Klyushin, E. Carbonio, A. Knop-Gericke, Y. Takakuwa
  • 学会等名: 2017 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Si(100)表面室温酸化中の「分子状吸着酸素」の発見 -放射光が30年来の謎を解く- (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉越章隆、多賀稜、小川修一、高桑雄二
  • 学会等名: 第16回東北大学多元物質科学研究所 研究発表会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-12-07
• [学会発表] Interface oxidation enhancement at SiO2/Si(001) by raising O2 pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ogawa, J. Tang, R. Taga, Y. Takakuwa
  • 学会等名: The 13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 2016-10-09
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative Study of O2 Adsorption Kinetics on p- and n-Si(001) Surfaces at Room Temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Taga, K. Nishimoto, J. Tang, Z. Yu, S. Ogawa, Y. Takakuwa
  • 学会等名: The 20th International Vacuum Congress
  • 発表場所: 釜山、韓国
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [図書] 放射光利用の手引き (2019)
  • 著者名/発表者名: 東北放射光施設推進会議推進室
  • 総ページ数: 344
  • 出版者: アグネ技術センター
  • ISBN: 9784901496957
• [図書] X線光電子分光法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小川修一（分担執筆）
  • 総ページ数: 368
  • 出版者: 講談社サイエンティフィク
  • ISBN: 9784065140475