【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】13305004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

4端子プローブ / 金属絶縁体転移 / パイエルス転移 / 表面電気伝導 / シリコン / 表面超構造 / 弱局在 / 擬1次元金属 / 2次元吸着原子ガス / 4探針 / 超高真空 / 光学顕微鏡 / RHEED

【研究成果の概要】

「マイクロ4端子プローブ測定装置」を設計・製作し、完成させた。この装置では、超高真空中で試料温度を室温から10Kまでの範囲で変化させて電気伝導度を測定できる。また、デンマーク工科大学で製作されたマイクロ4端子プローブ(プローブ間隔が4〜40μm)を光学顕微鏡で観察しながら、ピエゾスライドで試料表面に向けて接近・接触させて、ミクロな領域の電気伝導を測定する。また、RHEED(反射高速電子回折)によって試料表面の表面超構造をその場で確認・制御できる。この装置による測定で以下の発見があった。
(1)擬1次元金属系のSi(111)-4×1-In表面を冷却していくと、120K(付近で8×"2"構造の相転移するが、そのとき、電気抵抗が急激に上昇し、金属絶縁体転移を起こすことを見出した。これは、電荷密度波をともなうパイエルス転移説に矛盾しない結果となった。
(2)2次元金属系のSi(111)-√<3>×√<3-Ag>表面を冷却していくと、230K付近で急激に電気抵抗が上昇し、金属絶縁体転移を起こすことを見出した。光電子分光法によるバンド構造の研究も合わせ、低温相はバンド絶縁体ではないことを明らかにし、弱局在に起因する可能性がある。
(3)擬1次元金属系として知られていたSi(557)-Au表面の電気伝導度の温度依存性は、室温以下で熱活性型の半導体的な振る舞いを示した。これは、欠陥によって金属鎖が分断され、ホッピング伝導をしていることに起因すると考えられる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】39,130千円 (直接経費: 30,100千円、間接経費: 9,030千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】10650025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面電気伝導 / 表面電子バンド / 表面超構造 / 半導体 / 2次元電子系 / 反射高速電子回折 / エピタキシー / 磁気抵抗

【研究成果の概要】

昨年度制作した極低温用電気伝導測定兼用RHEED試料ホルダーを、超伝導マグネットが装備された超高真空RHEED装置内に取り付け、様々な測定を行い、以下のような成果を得た。
(1) Si(111)の表面電気伝導度の温度依存性の測定:Si(111)-7×7清浄表面とSi(111)-√<3>×√<3>-Ag、√<21>×√<21>-Ag表面の温度依存性を40K〜300Kの範囲で測定することに成功した。その結果、100K〜300Kの範囲では、√<21>×√<21>>√<3>×√<3>>7×7の順に伝導度が高いこと、また、√<21>×√<21>と√<3>×√<3>表面の伝導度は、温度下降とともに上昇するよという金属的な性質を示すこと、100K以下では、7×7表面が最も高い伝導度を示すことが分かった。これらの現象のメカニズムについて検討した。
(2) 磁気抵抗効果の測定:Si(111)-7×7清浄表面とその上に蒸着したBi薄膜の磁気抵抗を6Tまでの磁場を印加しながら測定し、数%の電気抵抗の変化を検出することに成功した。そのメカニズムについて検討した。
(3) Si(111)-表面上に0.33原子層程度の錫原子を吸着させて√<3>×√<3>表面超構造を作り、それを100K程度に冷却すると、3×3超構造に相転移することを見い出した。これは、錫吸着Ge(111)表面での相転移と同じであり、電荷密度波転移であると推論した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】広領域

【研究領域課題番号】06455007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

反射高速電子回折 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面電気伝導 / エピタクシー / 半導体表面 / 金属超薄膜

【研究成果の概要】

我々はSi上の金属のエピタクシー過程について、RHEED(反射高速電子回折)、TRAXS(全反射角X線分光)、表面電気伝導の測定等の方法で構造、組成、物性の研究を行ってきた。RHEEDは逆格子を通しての構造研究に有力であり、STM(走査型トンネル顕微鏡)は実格子の研究に有力である。そこで我々は既設のRHEED-TRAXS装置にSTMを結合させ、上記現象の解明を試みることを目的とした。
平成6年度にはSTM用の観測ヘッドを購入し、探針を試料表面に安全に近づける機構や走査機構の作製を行った。平成7年度にはSTM用の低圧電源、画像処理システム、探針走査回路等を購入し、STMの像が撮影出来るように完成させた。これを既設のRHEED-TRAXS用の超高真空装置と結合させた。また、真空を破ること無く、RHEEDで観察した試料をSTM装置内に移動させるための機構も作製し、RHEEDとSTMの同時観察が出来るような装置として完成させた。
この装置を用いてSi(111)表面上の7×7構造やInを蒸着したときに形成される表面構造の観察を行った。7×7構造の場合には、明瞭なRHEEDパターンを示す場合でも、これをSTMで観察すると、部分的には7×7構造の見えない部分が斑模様に存在する場合が多かった。これは冷却中に7×7構造の表面に残留ガスが部分的に吸着したためと思われる。7×7構造の表面にガスが吸着しても、7×7構造を破壊しなければRHEEDパターンは明瞭なままであるが、STMは表面に吸着したガスが検出され、表面に極めて敏感であることがわかる。次に、Si(111)表面にInを蒸着すると、1×1、4×1、√<31>×√<31>、√<3>×√<3>などの表面構造が形成されることをRHEEDで確認した。この表面をSTMで詳しく観察・解析し、各々の構造の原子配列構造模型を提唱した。またこれらの表面の電気伝導の測定も行った。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】7,900千円 (直接経費: 7,900千円)

【研究分野】広領域

【研究領域課題番号】05559005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

反射高速電子回折 / 表面電気伝導 / エピタクシー / 半導体表面 / 金属超薄膜 / 反射高速電子回折(RHEED)

【研究成果の概要】

平成5〜6年度において、低温用反射高速電子回析(RHEED)・表面原子層物性測定のための試料ホルダーと各種の測定装置を作製し、これを既設の超高真空RHEED装置に取り付けた。これを用いて、エピタクシー過程における、RHEED強度振動、表面元素の深さ分布、表面電気伝導などの測定を行った。
エピタクシャル成長を支配する重要な因子は、下地表面の温度、蒸着の速度、原子の供給方法などである。そこでSi(lll)上にAgやCuを蒸着する際に、下地の表面温度や蒸着速度を系統的に変えて実験を行なった。その結果、(1)表面温度が160Kの低温にすると、意外な事には、室温の場合よりも多くのRHEED強度振動のピーク(20〜46ピーク)が出現した。(2)毎分20ML以上の大きな成長速度にすると、多数の振動ピークが現れることを初めて見い出した。(3)以上の実験結果は、表面の温度や蒸着速度の変化が原子の拡散長に変化を生ずるものと考えられ、これを考慮した新しい成長模型を提唱した。
Si(lll)-√<3>×√<3>-Ag構造上にAuを蒸着したときに見出された「置換原子成長」や「浮遊原子成長」などの奇妙な現象についてその温度効果を研究した。その結果、この様な成長モードで形成された構造は約300℃以下では安定であった。しかし、400℃以上では不安定であり、AuとAgは合金化することが判明し、従来のAu-Ag合金の状態図とも矛盾しなかった。このような結果は、Au-Ag合金の安定性について再検討を迫る新しい実験結果であり、興味深い新しい問題提起であると考えられる。
またSi(lll)上のAg成長過程においては、√<21>×√<21>-Agおよび6×6-Ag構造が現れることを発見し、これらの構造と表面電気伝導が密接に関連していることを初めて実証した。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】7,000千円 (直接経費: 7,000千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】05452101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体・金属界面 / 表面電気伝導 / 表面超構造 / ホール効果 / 電界効果 / シリコン(111)表面 / RHEED / 空間電荷層 / 半導体・金属・界面 / 表面構造

【研究成果の概要】

昨年度に新しく設計・製作した小型MBE・RHEED装置に、新しい試料ホルダーと電気的測定用超高真空室を結合させた。これによって、(1)構造・組成の解析、(2)表面電気伝導、(3)ホール効果、(4)電界効果の測定に加えて、(5)光伝導もin-situに測定可能なシステムとなった。これを用いて、表面の微視的な原子配列構造・電子状態とその巨視的な電気特性を曖昧さ無く直接的に関連づける研究を昨年度に引続き行った。
まず、表面電界効果の実験から、Si(111)-7×7清浄表面が金属的な表面であり、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面が半導体的な表面であることが明らかになった。また、7×7清浄表面に酵素を暴露すると、表面の酸化によって金属的な表面がしだいに半導体的な表面に変化しいく過程を電界効果の変化として捉えることができた。また、単色光を照射したときの光伝導度の変化も表面超構造に依存して全く異なる振舞を示した。さらに、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面を150K程度の低温に維持して1原子層程度のAgを蒸着すると、√<21>×√<21>や6×6構造という表面超構造が形成されることを初めて発見し、しかも、それらの構造の形成・消滅に応じて表面電気伝導度が特徴的に変化することも見いだした。
これらの実験によって、表面空間電荷層が表面構造に依存して変化し、その結果、キャリアー濃度が増減し、表面電気伝導に影響を与える、という解釈の正当性を証明することができた。この様に、原子レベルでの構造と電気特性とを関連付ける研究は、新しいデバイス開発への基礎研究になると期待できる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)

【研究分野】固体物性

【研究領域課題番号】04640328 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体表面 / 表面電気伝導 / 反射高速電子回折 / 表面電子状態 / 空間電荷層 / バンド構造 / 表面超構造 / ホール効果

【研究成果の概要】

本研究は、半導体表面構造及びその上のエピタクシャル金属超薄膜の構造と、その電気的特性(表面電気伝導やホール効果など)の関連を明かにすることを目的とする。表面・薄膜の構造やエピタクシャル成長を原子レベルで解析・制御しながら、その電気的特性の測定をその場(in‐situ)で同時に行うことに本研究の特徴がある。これにより、表面・界面の単原子層程度の構造に敏感に依存した物性の発現を捉えることができ、新しい機能デバイスの基礎を築く可能性がでてくるものと期待している。本研究期間中の研究成果の概要は以下の通りである。
1.新しい超高真空RHEED(反射高速電子回折)用試料ホルダーを設計・製作した。それは、室温から1500Kまでの範囲で試料温度を変えられ、さらに試料に磁場を印加でき、RHEED観察とともに試料の電気抵抗とホール係数を同時に測定できるように工夫されている。
2.室温に保たれたSi(111)表面上に金属(Ag、Au、In、Pbなど)を連続的に蒸着する過程でのSiウエハ全体の電気抵抗が、基板表面の構造に敏感に依存して変化することを見いだした。表面のわずか1、2原子層の構造の差異がバルクSiの電気伝導に著しい影響を及ぼしているのである。これは、原子尺度での構造の差異がSi表面の電子状態を変え、さらには表面空間電荷層のキャリアー密度を増減させ、巨視的な電気的特性を変化させていることによると思われる。この発見は、学問的な重要性は勿論のこと、デバイスへの応用という観点からも重要な発見であると考えている。
3.金属蒸着中におけるRHEED観察、表面電気伝導の測定と同時にホール係数の測定も同時に行い、抵抗の増減にみあったキャリアーの増減が観測された。これにより、表面におけるバンドの曲がりの変化とそれによる表面空間電荷層内のキャリアー濃度の変化を捉えたことになる。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【研究分野】固体物性

【研究領域課題番号】03554007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

X線分光 / 全反射角 / 結晶分光器 / 表面分析 / 反射高速電子回折 / 組成分析 / 表面電気伝導 / 半導体表面 / EXAFS / 深さ分析

【研究成果の概要】

本研究の目的は、我々が独自に考案・開発したRHEED-TRAXS法(反射高速電子回折-全反射角X線分光法)と呼れる固体表面解析・分析法をさらに高度化させた「高分解能TRAXS法」を実験することにある。この目的のもと、本研究期間中に行った研究実績の概要を以下に述べる。
1.X線分光結晶と位置敏感型X線検出器及びゴニオメータを組み合わせて、X線分光システムを設計・製作し、現有機器のRHEED-MBE(分子線エピタクシー)装置に組み込みこみ、RHEEDパターンを観察しながら、試料から放射されるX線を分光・パラレル検出して高分解能エネルギースペクトルを得、本研究の第一段階の目標を実現した。X線は十分な強度で検出され、短時間の測定(1、2分)で良好なS/N比が得られたので、動的な現象の測定にも対応できることがわかった。
2.平板型LiF(200)結晶を使って、Siウエハ表面に蒸着したGa原子からのKα1(9.252keV)線とKα2(9.225keV)線付近のエネルギースペクトルを測定し、約13eVのエネルギー分解能が達成されていることを確認した。これは、従来型TRAXSの分解能150eVに比べ、約10倍向上したことになり、本研究の第二段階の目標をほぼ実現した。これにより、EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine structures)測定の可能性が出てきたので現在その実験を行っている。
3.本研究の手法によってSi表面の構造や組成が原子尺度で制御された試料を用いてSi表面電気伝導を測定し、ミクロな表面状態の影響を研究した。その結果、微視的な構造の差異がSi表面の電子状態を変え、さらには表面空間電荷層のキャリアー密度を増減させ、巨視的な電気的特性に著しい影響を及ぼすことを見い出した。これは学問的な重要性は勿論のこと、デバイスへの応用という観点からも重要な発見であると考えている。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】9,000千円 (直接経費: 9,000千円)