SOI層の熱凝集現象を利用したSiアイランドの選択形成と光学素子応用

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650011
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 石川 靖彦 静岡大学, 電子工学研究所, 助手 (60303541)
• 研究分担者: 田部 道晴 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80262799)
• キーワード: SOI / 熱凝集 / Siアイランド / パターニング / 細線 / 光導波路 / 選択形成 / 光学素子

研究概要

本研究では、薄いSOI層が真空中加熱により規則配列したSiアイランドに変形する現象を利用して、(1)SOI細線構造(Si光導波路)を局所的にアイランド化させ、導波路中に一次元周期構造を形成すること、(2)この周期構造を波長フィルター等の光学素子へ応用すること、を目的としている。本年度は、その基礎実験として、(1)数ミクロン角にパターニングしたSOI層を用い、パターニングが熱凝集Siアイランドの形成・配列に及ぼす影響を調べる(2)10nm程度のSOI層の面内において、数nmの膜厚揺らぎを有する試料(市販SIMOXウエハ)を用い、膜厚の薄い部分でアイランドが選択形成されるかを調べるとともに、(3)SOI層のアイランド化のメカニズムを明らかにするために、計算機シミュレーションにより、従来までの実験データ(SOI層の初期膜厚とアイランドのサイズ・周期の関係等)の解釈を試みるの3点に注目して、検討した。得られた成果は、それぞれ以下のように要約できる。
(1)パターニングの効果
パターニングにより、(1)低温から、またパターンの端部から熱凝集が発生すること、(2)形成されるSiアイランドのサイズ分布が、パターンのないものより大きくなること、等が明らかとなった。
(2)膜厚揺らぎを有するSOI層の熱凝集
5nm程度の膜厚揺らぎを有するSIMOXウエハ(平均膜厚:約10nm)における熱凝集現象を調べた結果、予想通り、膜厚の薄い部分でアイランドが選択形成されることが明らかとなった。
(3)シミュレーションによるメカニズムの解釈
Si原子の拡散が、応力(歪み)エネルギーおよび表面エネルギーの面内分布により発生すると考えることで、アイランド形成の経時変化が説明できることが明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] Yasuhiko Ishikawa, Minoru Kumezawa, Ratno Nuryadi, Michiharu Tabe: "Effect of patterning on thermal agglomeration of ultrathin silicon-on-insulator layer"Applied Surface Science. (掲載決定). (2002)
• [文献書誌] K. Sawada, M. Tabe, Y. Ishikawa, M. Ishida: "Field Electron Emission Device Using Silicon Nano-Protrusions"Journal of Vacuum Science and Technology B. (掲載決定). (2002)
• [文献書誌] 田部道晴, 石川靖彦, 水野武志: "極薄SOIを用いたシリコンナノ構造デバイス"応用物理. 71・2. 209-213 (2002)
• [文献書誌] Ratno Nuryadi, Yasuhiko Ishikawa, Yukinori Ono, Michiharu Tabe: "Thermal agglomeration of single-crystalline Si layer on buried SiO_2 in ultrahigh vacuum"Journal of Vacuum Science and Technology B. 20・1. 167-172 (2002)
• [文献書誌] Y. Ishikawa, T. Ishihara, M. Iwasaki, M. Tabe: "Negative differential conductance due to resonant tunneling through SiO_2/single-crystalline-Si double barrier structure"Electronics Letters. 37・19. 1200-1201 (2001)
• [文献書誌] Kazuaki Sawada, Michiharu Tabe, Makoto Iwatsuki, Yasuhiko Ishikawa, Makoto Ishida: "Field Electron Emission from Si Nano Protrusions"Japanese Journal of Applied Physics. 40・8A. L832-L834 (2001)