次世代ナノデバイス開発に向けたGe表面酸化反応の制御と極薄絶縁膜の形成技術

• 研究課題/領域番号: 26420289
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 吉越 章隆 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 物質科学研究センター, 研究主幹 (00283490)
• 研究分担者: 寺岡 有殿 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (10343922)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2014年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: Ge / 酸化 / 放射光 / 分子線 / 酸化物 / 表面化学 / 表面反応 / 反応ダイナミクス / 半導体 / 酸化反応プロセス / 光電子分光 / ゲルマニウム / シリコン / キネティクス / ダイナミクス / 吸着 / 半導体表面 / Ge単結晶表面 / 酸化反応 / 超音速分子線 / その場観察 / 表面

研究成果の概要

Siよりも優れたキャリアー移動度のGeは、次世代ナノデバイス材料の候補である。本研究では、放射光精密光電子分光と分子線によって、Ge酸化物の形成制御に必要な反応パラメターおよび特異な反応現象の発見を目指した。当初の予想通り、酸素分子線によってサーマルガスと異なる酸化状態が実現することが明らかとなった。また、Ge酸化では、形成される酸化物の酸化価数状態やその並進エネルギー依存性が、Siと大きく異なることが分かった。さらに、Si(100)表面酸化の比較実験において、30年来その存在が否定されてきた分子状吸着酸素の観測に成功した。本研究は、ナノスケール表面反応制御の重要な知見と確信している。

研究成果

• [雑誌論文] Initial oxidation behavior of Ni3Al(210) surface induced by supersonic oxygen molecular beam at room temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Xu, J. Sakurai, Y. Teraoka, A. Yoshigoe, M. Demura, T. Hirano
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 391 ページ: 18-23
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.01.259
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive study on initial thermal oxidation of GaN(0001) surface and subsequent oxide growth in dry oxygen ambient (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, J. Ito, R. Asahara, K. Watanabe, M. Nozaki, S. Nakazawa, Y. Anda, M. Ishida, T. Ueda, A. Yoshigoe, T. Hosoi, T. Shimura, H. Watanabe
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 121 号: 3
  • DOI: 10.1063/1.4974458
  • 査読あり
• [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
• [雑誌論文] Effect of nitrogen incorporation into Al-based gate insulators in AlON/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor structures (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Asahara, M. Nozaki, T. Yamada, J. Ito, S. Nakazawa, M. Ishida, T. Ueda, A. Yoshigoe, T. Hosoi, T. Shimura, H. Watanabe
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 号: 10 ページ: 101002-101002
  • DOI: 10.7567/apex.9.101002
  • NAID: 210000138056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy of Ti/Al ohmic contacts to n-type GaN: Key role of Al capping layers in interface scavenging reactions (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nozaki, J. Ito, R. Asahara, S. Nakazawa, M. Ishida, T. Ueda, A. Yoshigoe, T. Hosoi, T. Shimura, H. Watanabe
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 号: 10 ページ: 105801-105801
  • DOI: 10.7567/apex.9.105801
  • NAID: 210000138073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valence-band electronic structure evolution of graphene oxide upon thermal annealing for optoelectronics (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Yamaguchi, S. Ogawa, D. Watanabe, H. Hozumi, Y. Gao, G. Eda, C. Mattevi, T. Fujita, A. Yoshigoe, S. Ishizuka, L. Adamska, T. Yamada, A. M. Dattelbaum, G. Gupta, S. K. Doorn, K. A. Velizhanin, Y. Teraoka, M. Chen, H. Htoon, M. Chhowalla, A. D. Mohite, Y. Takakuwa
  • 雑誌名: Phys. Status Solidi A 巻: 213 号: 9 ページ: 2380-2386
  • DOI: 10.1002/pssa.201532855
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface temperature dependence of oxidation of Cu3Au(111) by an energetic oxygen molecule (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuda, A. Yoshigoe, Y. Teraoka, M. Okada
  • 雑誌名: Materials Research Express 巻: 3 号: 3 ページ: 035014-035014
  • DOI: 10.1088/2053-1591/3/3/035014
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Investigation of segregation during oxidation of Ni-Cu alloy by in situ photoelectron spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Doi, Y. Nishiyama, A. Yoshigoe, Y. Teraoka
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 巻: 48 号: 7 ページ: 685-688
  • DOI: 10.1002/sia.6001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental and Theoretical Studies on Oxidation of Cu-Au Alloy Surfaces -Effect of Bulk Au Concentration- (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Okada, Y. Tsuda, K. Oka, K. Kojima, W. A. Dino, A.Yoshigoe, H. Kasai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1038/srep31101
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [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] Characterization of Polycrystalline Tungsten Surfaces Irradiated with Nitrogen Ions by X-ray Photoelectron Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kamiura, K. Umezawa, Y. Teraoka, A. Yoshigoe
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 57 号: 9 ページ: 1609-1614
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2016107
  • NAID: 130005289914
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive Study and Design of Scaled Metal/High-k/Ge Gate Stacks with Ultrathin Aluminum Oxide Interlayers (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Asahara, Iori Hideshima, Hiroshi Oka, Yuya Minoura, Shingo Ogawa, Akitaka, Yoshigoe, Yuden Teraoka, Takuji Hosoi, Takayoshi Shimura, and Heiji Watanabe
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 23 ページ: 233503-233503
  • DOI: 10.1063/1.4922447
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In Situ SR-XPS Observation of Ni-Assisted Low-Temperature Formation of Epitaxial Graphene on 3X-SiC/Si (2015)
  • 著者名/発表者名: Mika Hasegawa, Kenta Sugawara, Ryota Suto, Shota Sambonsuge, Yuden Teraoka, Akitaka Yoshigoe, Sergey Filimonov, Hirokazu Fukidome, and Maki Suemitsu
  • 雑誌名: Nanoscale Research Letter 巻: 10 号: 1 ページ: 421-426
  • DOI: 10.1186/s11671-015-1131-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spontaneous activation behavior of Ni3Sn, an intermetallic catalyst, for hydrogen production via methanol decomposition (2015)
  • 著者名/発表者名: Meiqiang Fan, Ya X, Junya Sakurai, Masahiko Demura, Toshiyuki Hirano, Yuden Teraoka, Akitaka Yoshigoe
  • 雑誌名: doi:10.1016/j.ijhydene.2015.05.197 巻: 4 号: 37 ページ: 12663-12673
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.197
• [雑誌論文] In situ synchrotron radiation photoemission study of ultrathin surface oxides of Ge(111)-c(2 ' 8) induced by supersonic O2 beams (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuta Okada, Akitaka Yoshigoe, Yuden Teraoka, Yoichi Yamada, and Masahiro Sasaki
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 号: 2 ページ: 025701-025701
  • DOI: 10.7567/apex.8.025701
  • NAID: 210000137404
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In-situ synchrotron radiation photoelectron spectroscopy study on oxidation of Ge(100)-2×1 surface by means of supersonic oxygen molecular beam (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Yoshigoe, Y. Teraoka, R. Okada, Y. Yamada, M. Sasaki
  • 雑誌名: J. Chem.Phys. 巻: 141 号: 17 ページ: 174708-174708
  • DOI: 10.1063/1.4900633
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy study on oxide evolution during oxidation of a Si(111)-7x7 surface at 300K: Comparison of thermal equilibrium gas and supersonic molecular beams for oxygen adsorption (2014)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe and Yuden Teraoka
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 118 号: 18 ページ: 9436-9442
  • DOI: 10.1021/jp410821r
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-accelerating oxidation on Si(111)7×7 surfaces studied by real-time photoelectron spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Tang, K. Nishimoto, S. Ogawa, A. Yoshigoe, S. Ishidzuka, D. Watanabe, Y. Teraoka, and Y. Takakuwa
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 巻: 46 号: 12-13 ページ: 1147-1150
  • DOI: 10.1002/sia.5615
  • 査読あり
• [学会発表] 超音速分子ビームによる表面化学反応の放射光光電子分光観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉越章隆
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] 超熱エネルギー酸素分子によるCu3Pt(111)表面の酸化過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 津田泰孝、牧野隆正、塚田千恵、吉越章隆、福山哲也、岡田美智雄
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] AlGaN表面の熱酸化過程の放射光光電子分光分析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 健太, 山田 高寛, 野崎 幹人, 中澤 敏, 志, 施 泓安, 按田 義治, 上田 哲三, 吉越 章隆, 細井 卓治, 志村 考功, 渡部 平司
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Surface Chemistry Experimental Station at Soft X-ray Beamline (BL23SU) in SPring-8 (2017)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe
  • 学会等名: Symposium on Surface Science & Nanotechnology, 25th Anniversary of SSSJ Kansai
  • 発表場所: 京都国際会議場（京都府、京都市）
  • 年月日: 2017-01-24
  • 国際学会
• [学会発表] In situ synchrotron radiation photoemission study on molecular oxygen adsorbate during room-temperature oxidation of Si(100)2×1 surface (2017)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe
  • 学会等名: Symposium on Surface and Nano Science 2017
  • 発表場所: 富良野プリンスホテル（北海道、富良野市）
  • 年月日: 2017-01-11
  • 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（宮城県、仙台市）
  • 年月日: 2016-12-07
• [学会発表] 超音速分子線を用いたCu(111)表面におけるエチレン分子の反応 (2016)
  • 著者名/発表者名: 牧野隆正，津田泰孝，塚田千恵，吉越章隆，岡田美智雄
  • 学会等名: 2016真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県、名古屋市）
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] Cu3Pd(111)合金表面の初期酸化過程 (2016)
  • 著者名/発表者名: 津田泰孝、牧野隆正、塚田千恵、吉越章隆、福山哲也、岡田美智雄
  • 学会等名: 2016年<第77回>応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県、新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] シリコン酸化膜上のグラフェン薄膜の熱的安定性の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小川新，大野真也，吉越章隆
  • 学会等名: 2016年<第77回>応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県、新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 放射光XPS によるSi(100)2×1 へのCH3Cl 吸着反応の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚田 千恵，吉田 光，岡田 美智雄，吉越 章隆，矢板 毅
  • 学会等名: 2016年<第77回>応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県、新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 熱酸化処理によるSiO2/GaN界面でのGaOx形成とMOS界面特性向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山田高寛，渡邉健太，野崎幹人，吉越章隆，細井卓治，志村考功，渡部平司
  • 学会等名: 2016年<第77回>応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県、新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Ge(100)2×1 表面の大気酸化物の放射光光電子分光分析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉越章隆, 岡田隆太, 寺岡有殿, 山田洋一, 佐々木正洋
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会、第35回表面科学学術講演会、第56回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県、つくば市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] Ge(100)2×1 およびGe(111）c(2×8)表面の室温酸化物の放射光光電子分光研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉越章隆, 岡田隆太, 寺岡有殿, 山田洋一, 佐々木正洋
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会、第35回表面科学学術講演会、第56回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県、つくば市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] 低速電子回折と電子分光法によるHf 蒸着Si(110)-16×2 シングルドメイン表面の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 垣内拓大, 桂木拓磨, 中納佑二, 吉越章隆, 長岡伸一, 間瀬一彦
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会、第35回表面科学学術講演会、第56回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県、つくば市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] 超音速分子線を用いて酸化したSi(113)表面の電子状態解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中一馬, 大野真也, 小玉開, 吉越章隆， 寺岡有殿, 田中正俊
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会、第35回表面科学学術講演会、第56回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県、つくば市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] Rapid Temperature Oxidation at SiO2/Si(001) Interface Studied by Real-time X-ray photoelectron spectroscopy: Rapid Cooling Versus Rapid Heating (2015)
  • 著者名/発表者名: Jiayi Tang, Shuichi Ogawa, Akitaka Yoshigoe, Shinji Ishidzuka, Yuji Takakuwa
  • 学会等名: 2015 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES: SCIENCE AND TECHNOLOGY (2015 IWDTF)
  • 発表場所: 未来館（東京都、江東区）
  • 年月日: 2015-11-02
• [学会発表] Synchrotron radiation photoemission study of oxides at Ge(100) surface after atmospheric exposure (2015)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe, Ryuta Okada, Yuden Teraoka, Yoichi Ymada, and Masahiro Sasaki
  • 学会等名: 10th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’15 (ALC’15)
  • 発表場所: くにびきメッセ（島根県、松江市）
  • 年月日: 2015-10-25
• [学会発表] Strain-induced Reaction Kinetics of O2 Molecule at SiO2/Si Interfaces studied by Real-time X-ray Photoelectron Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Jiayi Tang, Shuichi Ogawa, Akitaka Yoshigoe, Shinji Ishidzuka, Yuji Takakuwa
  • 学会等名: 0th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’15 (ALC’15)
  • 発表場所: くにびきメッセ（島根県、松江市）
  • 年月日: 2015-10-25
• [学会発表] Strain-induced oxide decomposition at SiO2/Si(001) and SiO2/Si(111) interfaces studied by X-ray photoelectron spectroscopy and scanning tunnelling microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Jiay Tang, Shuichi Ogawa, Akitaka Yoshigoe, Yuden Teraoka, Yuji Takakuwa
  • 学会等名: European Conference on Surface Science-31
  • 発表場所: Barcelona(Spain)
  • 年月日: 2015-08-31
• [学会発表] 放射光リアルタイム光電子分光を用いたシリコン表面反応ダイナミクスの研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉越章隆
  • 学会等名: The 9th Hydrogen Materials Unit Seminar
  • 発表場所: NIMS(茨城県、つくば市)
  • 年月日: 2015-07-31
  • 招待講演
• [学会発表] Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy study of room-temperature oxidation of Ge(100)2×1 surface using pure O2 gas (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Yoshigoe, R. Okada, Y. Teraoka, Y. Yamada, M. Sasaki
  • 学会等名: Symposium on Surface and Nano Science 2015 (SSNS'15)
  • 発表場所: 新富良野プリンスホテル（北海道富良野市）
  • 年月日: 2015-01-14 – 2015-01-18
• [学会発表] Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy study on surface oxidation of Ge(100) and Ge(111) at room temperture (2014)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe, R. Okada, Y. Teraoka, Y. Yamada, M. Sasak
  • 学会等名: Pacific Rim Symposium on Surfaces, Coatings & Interfaces (PacSurf 2014)
  • 発表場所: Kohala Coast, Hawaii, USA
  • 年月日: 2014-12-07 – 2014-12-11
• [学会発表] Sub-monolayer oxides on Ge(100) surface fabricated with pure O2 gas (2014)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe, Ryuta Okada, Yuden Teraoka, Yoichi Yamada and Masahiro Sasaki
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on the Functionality of organized Nanostructures (FON'14)
  • 発表場所: 日本科学未来館（東京都江東区）
  • 年月日: 2014-11-27 – 2014-11-28
• [学会発表] Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy Study on Surface Oxides at Ge(100)-2×1 Surface (2014)
  • 著者名/発表者名: Akitaka Yoshigoe, Ryuta Okada, Yuden Teraoka, Yutaro Iwai, Yoichi Yamada, Masahiro Sasak
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Surface Science (ISSS-7)
  • 発表場所: 松江くにびきメッセ（島根県松江市）
  • 年月日: 2014-11-02 – 2014-11-06
• [学会発表] Si(100)-2×1表面の分子状吸着状態の放射光リアルタイム光電子分光による時分割観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 吉越章隆、岡田隆太、寺岡有殿、岩井優太郎、山田洋一、佐々木正洋
  • 学会等名: 2014年第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学、札幌キャンパス(札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Ge(111)-c(2×8)表面の酸化発展のO2並進エネルギー依存性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡田隆太、吉越章隆、寺岡有殿、岩井優太郎、山田洋一、佐々木正洋
  • 学会等名: 2014年第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学、札幌キャンパス（札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Temperature Dependence of Oxidation Reacation Paths on Si(111)7×7 Studied by Real-time Photoelectron Spectroscopy and Theoretical Calculations (2014)
  • 著者名/発表者名: Jiayi Tang, Shuichi Ogawa, Akitaka Yoshigoe, Kiwamu Nishimoto, Shinnji Ishidzuka, Yuden Teraoka, and Yuji Takakuwa
  • 学会等名: 30th European Conference on Surface Science
  • 発表場所: Antalya, Turkey
  • 年月日: 2014-08-31 – 2014-09-05