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

2003 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 / 細線 / パターニング / 光導波路 / 選択形成 / 光学素子

研究概要

本研究では、薄いSOI(Silicon-on-Insulator)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)一次元Si アイランド列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。前年度までに、局所的(空間選択的)なアイランド形成の実現、およびSOI層の細線加工プロセスを確立している。本年度は、SOI細線の幅、SOI層の膜厚、細線を形成した結晶方位、および細線加工プロセスの違い(選択酸化/選択エッチング)が、アイランド配列に及ぼす効果について系統的に評価した。
その結果、SOI層の膜厚が約3nm、線幅が1μm以下の選択酸化プロセスによる細線構造を熱処理することで、Siアイランドが細線方向に1次元配列することが明らかとなった。この一次元アイランド列は、細線両端に沿って2列同時に形成され、2列のアイランド間には、極薄のSi層がアイランド化せずに残存する。細線を形成した結晶方位に依存しないため、細線に90度曲げやT分岐を施した部分でも、エッジに沿った配列が維持される。アイランドサイズが〜50nmと小さいため、残存Si層をトンネル接合とする一次元単電子トンネル接合アレイとして利用できる可能性がある。
細線の幅や膜厚を大きくしたり、細線加工にウエットエッチングを用いた場合には、上記の規則配列が見られなくなる。フォトニック結晶利用に適切な100nmサイズのアイランドを形成するには、初期SOI膜厚を7nm程に設定する必要があるが、この場合、アイランドは規則配列せず、細線パターン内にランダムにアイランド形成される。フォトニック結晶利用に向けたアイランドの規則配列を実現するには、さらに検討が必要がある。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ishikawa, K.Wada, D.D.Cannon, J.Liu, H.-C.Luan, L.C.Kimerling: "Strain-induced band gap shrinkage in Ge grown on Si substrate"Applied Physics Letters. 82・13. 2044-2046 (2003)
• [文献書誌] H.Ikeda, M.Iwasaki, Y.Ishikawa, M.Tabe: "Resonant tunneling characteristics in SiO_2/Si double-barrier structures in a wide range of applied voltage"Applied Physics Letters. 83・7. 1456-1458 (2003)
• [文献書誌] Y.Ishikawa, Y.Imai, H.Ikeda, M.Tabe: "Pattern-induced alignment of silicon islands on buried oxide layer of silicon-on-insulator structure"Applied Physics Letters. 83・15. 3162-3164 (2003)
• [文献書誌] R.Nuryadi, H.Ikeda, Y.Ishikawa, M.Tabe: "Ambipolar Coulomb blockade characteristics in a two-dimensional Si multi-dot device"IEEE Transactions on Nanotechnology. 2・4. 231-235 (2003)
• [文献書誌] J.Liu, D.D.Cannon, K.Wada, Y.Ishikawa, S.Jongthammanurak, D.T.Danielson, J.Michel, L.C.Kimerling: "Silicidation-induced band gap shrinkage in Ge epitaxial films on Si"Applied Physics Letters. 84・5. 660-662 (2004)
• [文献書誌] D.D.Cannon, J.Liu, Y.Ishikawa, K.Wada, D.T.Danielson, S.Jongthammanurak, J.Michel, L.C.Kimerling: "Tensile strained epitaxial Ge film on Si(100) substrate with potential application to L-band telecommunications"Applied Physics Letters. 84・6. 906-908 (2004)