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【研究目的】現在の高度情報化社会を支えるシリコン半導体デバイスは微細化により高性能化がなされ、その動作領域は数十ナノメートルに達している。このような微細スケールでは電子の供給源となるドーパント原子はデバイス中でランダムに分散し、電子散乱によるデバイス性能の低下の原因となりうる。しかし、原子スケールで見たシリコン表面近傍におけるドーパント原子の電荷状態や電子散乱への影響はよく調べられていない。本研究では、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いてシリコン表面に分散するドーパント(リン)原子の電荷状態と量子力学的挙動を調べることを目的とした。
【実験方法】Si(100)基板を1400Kで加熱することにより自然酸化膜を除去し清浄表面を作製した。その後基板を78Kまで冷却した後、室温までゆっくりと暖めながらリン原子の堆積を行った。リン原子の堆積はリン化インジウムを600Kに加熱し、リン原子を蒸発させることにより行った。
【実験結果】Si(100)表面におけるリン原子の吸着サイトを調べるためにSTM観察の結果、ダイマー列内の隣り合う二つのシリコンダイマーをまたいでリンが吸着することがわかった。.この吸着サイトは、これまで第一原理計算で予想されている最安定サイトと異なっていた。第一原理計算によれば、STMで観察された吸着サイトは最安定サイトよりも1eVほど不安定である。STMの観察結果と理論計算の結果が異なる原因については継続して調査していく。また、トンネル分光の結果から吸着したリン原子は中性状態であった。さらに、リン原子が吸着した表面を600～1000Kで加熱するとリン原子とシリコン原子が置換し、リンーシリコンのヘテロダイマーが生成される。このヘテロダイマーの電荷状態をトンネル分光で調べるとわずかに負に帯電していることがわかり、その周辺で電子散乱に起因する定在波が観察された。
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