全エピタキシャル金属/絶縁体積層構造形成とデバイスの研究

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 04452202
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 山田 公 京都大学, 工学部, 教授 (00026048)
• 研究分担者: 高岡 義寛 京都大学, 工学部, 助教授 (90135525)
• キーワード: エピタキシー / エピタキシャル成長 / 積層構造 / トンネル電流 / 共鳴トンネルダイオード / 量子効果デバイス / ICB / 真空一貫プロセス

研究概要

本研究担当者らは、格子不整が25%以上もある種々の異種材料の組み合わせで、クラスターイオンビーム(ICB)を用いて、室温で金属薄膜等が半導体基板上にエピタキシャル成長させることが可能であることを示してきた。
本研究では、半導体基板上に種々の金属薄膜や絶縁物薄膜をICB法によって積層蒸着し、格子不整が極めて大きい材料のエピタキシャル成長積層構造デバイス開発の基礎研究を行う。このために現有の半導体上金属薄膜のエピタキシーを行うICB装置と酸化物エピタキシーを行うリアクティブICB装置を可搬型超高真空チャンバーで結合し、半導体基板上に全エピタキシャル金属/絶縁体からなる積層構造を真空一貫プロセスで構築する。これを用いてこれらのエピタキシャル成長条件を確立する。次にこれらの得られた結果をもとにして、エピタキシャル金属/絶縁物超薄膜からなる新しい構造のデバイスへの応用の研究を行う。
平成5年度は平成4年度で製作した超高真空チャンバーを用いAlエピタキシャル成長用ICB装置とサファイアエピタキシャル成長用ICB装置をそれぞれ結合し、それぞれの装置で形成した薄膜を相互に輸送し積層構造を形成した。従ってAlサファイアの積層構造を、空気中に取り出すことなく形成でき真空一貫プロセスが可能となった。本条件のもとでSi基板や形成したAlおよびサファイア薄膜の表面状態がエピタキシャル成長に及ぼす効果を明らかにした。また、Si(111)基板上にAl/Al_2 O_3/Al構造のエピタキシャル成長を行い、その電流電圧特性を測定し、Al_2 O_3層が数原子層の場合、トンネル電流が支配的であることを明らかにした。さらにAl/Al_2 O_3積層構造を用いた3重障壁共鳴トンネルダイオードについて構造設計を行い、電流電圧特性の理論計算から量子効果デバイスとして優れた特性が期待できることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] I.Yamada and G.H.Takaoka: "Ionized Cluster Beams:Physics and Technology" Japanese Journal of Applied Physics. 32. 2121-2141 (1993)
• [文献書誌] K.Fukushima,G.H.Takaoka and I.Yamada: "Epitaxial Growth of TiO_2 Rutile Thin Films on Sapphire Substrates by a Reactive Ionized Cluster Beam Method" Japanese Journal of Applied Physics. 32. 3561-3565 (1993)
• [文献書誌] I.Yamada,W.L.Brown,J.A.Northby and M.Sosnowski: "Surface Modification with Gas Cluster Ion Beams" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. B37. 223-226 (1993)
• [文献書誌] I.Yamada,G.H.Takaoka,M.Current,Y.Yamashita and M.Ishii: "Irradiation Effects of Gas-Cluster CO_2 Ion Beams on Si" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. B74. 341-346 (1993)
• [文献書誌] N.Hirai,M.Sato,N.Sakuma,G.H.Takaoka and I.Yamada: "Epitaxial Growth of Metal-Insulator-Metal Structures on Si(111)Substrates" Proceedings of 3rd International Union of Materials Research Society International Conference. (印刷中). (1993)
• [文献書誌] T.Yamawaki,G.H.Takaoka and I.Yamada: "STM Observations of the Initial Growth Processes of Metal Thin Film" Proceedings of 3rd International Union of Materials Research Society International Conference. (印刷中). (1993)