ゲルマニウム二次元結晶のヘテロ構造形成と電子物性制御

14族元素であるGeやSiと共晶型の状態図をとるAgやAlを組み合わせた積層構造において、熱処理による表面偏析を利用して、金属薄膜表面に二次元結晶や極薄結晶、それらのヘテロ構造を形成する方法を探求した。Si(111)基板上にCVDにより厚さ85nmのSiGe(111)を堆積し、SiGe表面を化学溶液洗浄した後、厚さ30nmのAlおよびAg薄膜を抵抗加熱真空蒸着により形成した。XPS分析の結果、金属層にAlを用いた場合、熱処理によりSiおよびGeが表面偏析する。このとき、表面偏析したSiの大部分が酸化する一方、Geは600度の熱処理でも酸化が抑制されることが分かった。Agを用いた場合では、同様に表面偏析したSiとGeはどちらも酸化が進行した。Alを下地金属に用いることで、表面にAl酸化膜が形成され保護膜として機能し、偏析層（特にGe）の酸化を抑制できたと考えられる。また、表面偏析した原子の成長テンプレートとなるために、高結晶性のAl薄膜形成について調べた。化学溶液洗浄したSi(111)上では、厚さ30nmのAlを室温で堆積することにより、比較的平坦なAl(111)を形成できた。一方、100度および150度に基板加熱しAlを堆積すると表面荒れが顕在化し、Al(111)に加えてAl(200)が成長する。また、室温堆積した厚さ30 nmのAl/Si(111)構造では、500度までの窒素雰囲気中熱処理により、表面平坦性を維持しつつその結晶性が向上することが分かった。SiGeを用いた場合と同様にAl/Si(111)構造の場合も、熱処理によりAl酸化膜とAl薄膜との間にSi偏析し、その量は熱処理温度と伴に増大する。300度の熱処理では、時間に依らずSi量はほぼ一定であることから、その制御には熱処理時間よりも温度が重要であることが分かった。

14族元素であるGeやSiと共晶型の状態図をとるAgやAlを組み合わせた積層構造において、熱処理による表面偏析を利用して、金属薄膜表面に二次元結晶や極薄結晶、それらのヘテロ構造を形成する方法を探求した。Si(111)基板上にCVDにより厚さ85nmのSiGe(111)を堆積し、SiGe表面を化学溶液洗浄した後、厚さ30nmのAlおよびAg薄膜を抵抗加熱真空蒸着により形成した。XPS分析の結果、金属層にAlを用いた場合、熱処理によりSiおよびGeが表面偏析する。このとき、表面偏析したSiの大部分が酸化する一方、Geは600度の熱処理でも酸化が抑制されることが分かった。Agを用いた場合では、同様に表面偏析したSiとGeはどちらも酸化が進行した。Alを下地金属に用いることで、表面にAl酸化膜が形成され保護膜として機能し、偏析層（特にGe）の酸化を抑制できたと考えられる。また、表面偏析した原子の成長テンプレートとなるために、高結晶性のAl薄膜形成について調べた。化学溶液洗浄したSi(111)上では、厚さ30nmのAlを室温で堆積することにより、比較的平坦なAl(111)を形成できた。一方、100度および150度に基板加熱しAlを堆積すると表面荒れが顕在化し、Al(111)に加えてAl(200)が成長する。また、室温堆積した厚さ30 nmのAl/Si(111)構造では、500度までの窒素雰囲気中熱処理により、表面平坦性を維持しつつその結晶性が向上することが分かった。SiGeを用いた場合と同様にAl/Si(111)構造の場合も、熱処理によりAl酸化膜とAl薄膜との間にSi偏析し、その量は熱処理温度と伴に増大する。300度の熱処理では、時間に依らずSi量はほぼ一定であることから、その制御には熱処理時間よりも温度が重要であることが分かった。