メゾスコピック構造形成のためのフリーラジカル制御

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05237102
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 清水 勇 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (40016522)
• 研究分担者: 小田 俊理 東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 教授 (50126314) ; 板谷 謹悟 東北大学, 工学部, 教授 (40125498) ; 松田 彰久 電子技術総合研究所, 非平衡材料研究室, 室長 ; 広瀬 全孝 広島大学, 工学部, 教授 (10034406)
• キーワード: メゾスコピック構造 / その場観察 / フリーラジカル / 原子レベル制御 / 新機能創製 / 自己組織化

研究概要

半導体物質であるシリコンを中心に、物質構造形成プロセスを原子レベルでその場観察すると共に、その構造をフリーラジカルを用いメゾスコピックサイズで制御し、新機能を発現を目指した研究を行った。その成果を要約すると:シリコン網目への水素ラジカルの浸透により誘起される固相における構造緩和を利用して、高品質wide-gap(<2.1eV)a-Si:H膜作製に成功した。このwide-gap a-Si:H膜は低欠陥(Nso<10^<16>cm^<-3>)で高い光伝導を示と共に、電子・正孔の輸送特性にも優れている。また、FTIR-ATR法による低温(>-95℃)におけるシリコン表面反応をその場観測すると共にその化学反応過程を検討し、表面形状平坦化はポリシラン化合物に因ることを明らかにすると共に、SiO_2への酸化過程も解明した。同様に、シランのプラズマ分解によるa-Si:H膜作製過程にシース電位を精細に制御すると、電子・正孔のドリフト移動度が1桁向上する成果を得た。さらに、プラズマ中でのラジカルによるが化学反応制御により、粒径3-15nmの球状ナノ結晶シリコンの作製とその形状制御に成功した。その結果、量子サイズ効果による蛍光発光と共に、単一電子トンネル現象も観察できた。また、分光エリプソメトリーによるその場観測と水素ラジカルによるシリコンの構造緩和促進効果を利用し、ガラス基板上への種結晶生長(1)多結晶シリコンエピタキシ成長(2)プロセスからなるTWO STEP多結晶シリコン成長法を開発した。種結晶として、固相成長で作製した(220)配向したテクスチャーの選択することで、表面自己組織化反応が促進される。さらに、酸化還元電位制御下で)電気化学走査トンネル顕微鏡観察によるNH4F溶液中でのn-Si(111)結晶の化学エッチングプロセスを原子をレベルで解明した。これによると、エッチングサイトは複数の水素でと終端されたキンク、あるいはステップであり、形状因子が化学反応性を支配していることを始めて実験的に証明した。

研究成果

• [文献書誌] T.Akasaka: "In situ real time studies of the formation of polycrystalline siliconfilms on glass grown by a layer-by-layer technique" Appl. Phys. Lett.66. 3441-3443 (1995)
• [文献書誌] K.Nakamura: "Roles of atomic hydrogen in chemical annealing" Jpn. J. Appl. Phys.34. 442-449 (1995)
• [文献書誌] S. L. Yau: "Electrochemical etching of Si(001)in NH_4F solution: Initial stage and {111} microfacet formation" Appl. Phys. Lett.66. 766-768 (1995)
• [文献書誌] K. kaji: "Atomic scale etching process ofn-Si(111)in NH_4F solution: In situ scanning tunneling microscopy" J. Appl. Phys.78. 5727-5733 (1995)
• [文献書誌] M.Otobe: "Fabrication of nanocrystalline Si by SiH_4 plasma cell" Mat. Res. Soc. Symp. Proc.377. 51-56 (1995)
• [文献書誌] M.Azuma: "Relation between defect densityand local structure of a-Si: H" Mat. Res. Soc. Symp. Proc.377. 191-196 (1995)
• [文献書誌] I.S.Osborne: "Stable hydrogenated amorphous silicon films deposited from silane and dichlorosilane by rf plasma chemical vapour deposition" Appl. Phys. Lett.66. 965-967 (1995)
• [文献書誌] I.S.Osborne: "Plasma enhanced chemical vapor deposition hydrogenated amorphous silicon from dichlorosilane and silane gasmixtures" Jpn. J. Appl. Phys.34. L536-L538 (1995)
• [文献書誌] A.Matsuda: "Improvement of hydrogenated amorphous silicon germanium alloy using lw power disilane discharges without hydrogen dilution" Appl. Phys. Lett.67. 1274-1276 (1995)
• [文献書誌] Y.Gao: "In siru structural investigation of surface imaging and visualization" CRC Press, Boca Raton USA, 40 (1995)