液体窒素中でのレーザーアブレーションを用いた窒化による炭化ケイ素表面の不働態化

平成30年度では前年度に引き続き，液体窒素中でのレーザーアブレーションを用いた窒化物半導体生成プロセスを試みるとともに，その窒化のメカニズムを明らかにすることを目的とした。前年度までの研究では，液体窒素中でのレーザーアブレーションを用いた窒化処理により以下の効果が発現した。1）照射痕周囲の領域(照射中心から1mm-3mm)において、表面形態を損ねずに窒化層を形成できること。2）200nm以下の深さ領域において概ね均一な含有割合を有する窒化層が形成されること。それに加えて，サンプル表面の温度分布の時間変化を熱拡散方程式の数値解析によって求めた結果より，照射中心の高温場からの熱伝導によるSiC表面が加熱・急冷によって、SiCが相変化を起こすことで液相由来の窒素原子がSiC中に拡散することで窒化層を形成したことが示唆された。このことを踏まえて，平成30年度では以下の実験を行った。1)レーザーのフルエンスの調整によって照射痕の形成を抑制する。2)前年度とは異なる評価方法を用いて窒化膜形成プロセスを明らかにする。SiC表面に照射されるレーザーのフルエンスを調整した結果，当初期待していた照射痕の形成を回避して窒化層を形成することはできなかった。しかし，0.51-2.6J/cm2の範囲で適切な調整を行うことで照射痕の形成を回避できる可能性があるため，今後の研究を要する。一方で，窒素の数密度の深さ方向分布は単純なSiC固体内部への窒素の拡散では説明ができず，アブレーションによって形成された高温・高圧場によってSiCが相変化を起こすことで，液体窒素由来の窒素原子がSiCの液相への拡散あるいは対流によってサンプル内部に輸送されることを明らかにした。

平成30年度では前年度に引き続き，液体窒素中でのレーザーアブレーションを用いた窒化物半導体生成プロセスを試みるとともに，その窒化のメカニズムを明らかにすることを目的とした。前年度までの研究では，液体窒素中でのレーザーアブレーションを用いた窒化処理により以下の効果が発現した。1）照射痕周囲の領域(照射中心から1mm-3mm)において、表面形態を損ねずに窒化層を形成できること。2）200nm以下の深さ領域において概ね均一な含有割合を有する窒化層が形成されること。それに加えて，サンプル表面の温度分布の時間変化を熱拡散方程式の数値解析によって求めた結果より，照射中心の高温場からの熱伝導によるSiC表面が加熱・急冷によって、SiCが相変化を起こすことで液相由来の窒素原子がSiC中に拡散することで窒化層を形成したことが示唆された。このことを踏まえて，平成30年度では以下の実験を行った。1)レーザーのフルエンスの調整によって照射痕の形成を抑制する。2)前年度とは異なる評価方法を用いて窒化膜形成プロセスを明らかにする。SiC表面に照射されるレーザーのフルエンスを調整した結果，当初期待していた照射痕の形成を回避して窒化層を形成することはできなかった。しかし，0.51-2.6J/cm2の範囲で適切な調整を行うことで照射痕の形成を回避できる可能性があるため，今後の研究を要する。一方で，窒素の数密度の深さ方向分布は単純なSiC固体内部への窒素の拡散では説明ができず，アブレーションによって形成された高温・高圧場によってSiCが相変化を起こすことで，液体窒素由来の窒素原子がSiCの液相への拡散あるいは対流によってサンプル内部に輸送されることを明らかにした。