単結晶アルミナとシリコンによる極薄膜多層構造の量子デバイス応用への基礎研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450118
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 石田 誠 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (30126924)
• 研究分担者: 澤田 和明 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (40235461)
• キーワード: SOI構造 / 単結晶Al_2O_3薄膜 / MBE法 / エピタキシャル成長 / 薄膜シリコン層 / 量子デバイス / 共鳴トンネル

研究概要

単結晶絶縁膜と半導体による量子構造デバイスをめざす基礎研究として、単結晶Al203絶縁薄膜とSi単結晶薄膜を2〜5nm程度の極薄い膜厚で、交互に積層させた多層極薄膜構造を形成することを目的とし,研究を開始した.研究の手法としてはガスソースと固体ソースを組み合わせた混成ソースMBE法により成長を行った.昨年度まに数nmのSi成長を制御可能な電子ビーム蒸着セルにより、Siエピタキシャル成長の条件を確立できたので,この条件をもとに極薄膜多層構造形成を行うことを目指した.
まず,量子井戸構造を形成する上で,障壁層の極薄膜単結晶Al203絶縁層の電気的な特性を評価したところ,2nm以下の厚さにおいても5MV/cm程度の絶縁特性が確認できた.その上への4nm以下のSi成長ではAl予備堆積法を用いることで高品質かつ膜厚の制御を可能とした.エピタキシャルSi/Al203構造のコンダクションバンドオフセットの値を,Fowler-Nordheimトンネル特性から導いたところ,約1.7eV程度であることがわかった.しかしながらこの値は鏡像効果などを考慮しておらず,実際はもう少し大きな値であると予想している.
以上のように量子井戸構造が形成できていることが確認できたので,エピタキシャルAl/Al2O3/Si/Al2O3/Si-subの共鳴トンネル構造を形成した.その電流-電圧特性を測定したところ,負性抵抗特性が観測でき,共鳴トン得る現象が確認できた.さらにAl/Al2O3/SiAl2O3/Si/Al2O3/Si-subの2重障壁共鳴トンネル構造の形成にも成功し,電気的な特性を測定することができた.

研究成果

• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Very thin and smooth epitaxial Al2O3 pre-layer on Si(111) using a protective oxide layer and Al predeposition"Ext.Abstracts of the 18th Electronic Materials Symposium. 237-240 (1999)
• [文献書誌] H.Hori et al.: "Fabrication of the Si/Al2O3/SiO2/Si structure by using the O2 annealed Al2O3/Si"Ext.Abstracts of the 1999 Int.Conf.On Solid State Devices and Materials. 237-240 (1999)
• [文献書誌] M.Ishida et al.,: "Effect of Al-predeposition layer on epitaxial silicon growth on Al2O3/Si(111) substrates"Thin Solid Films. 369[1,2]. 134-137 (2000)
• [文献書誌] M.Ishida et al.: "Fabrication of the Si/Al2O3/SiO2/Si structure by using the O2 annealed Al2O3/Si"Jpn.J.Appl.Phys.. 39. 2078-2089 (2000)
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "Formation of very thin epitaxial Al2O3 pre-layer with very smooth surface on Si(111) using protective oxide layer"Jpn.J.Appl.Phys.. 38. 2333-2336 (1999)
• [文献書誌] Y.C.Jung et al.: "High-quality silicon/insulator hetereoepitaxial structures formed by molecular beam epitaxy using Al2O3 and Si"J.Crst.Growth. 196. 88-96 (1999)