金属-半導体界面の安定性と反応機構の熱力学的解析

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半導体上に金属を付着することにより形成された金属-半導体界面の熱力学的安定性と反応機構を、Au-GaAs系及びAl-GaAs系を例に界面構造変化を透過型電子顕微鏡観察することにより調べた。Au-GaAs:真空蒸着法により室温でAuを蒸着したAu-GaAs界面は蒸着直後はほぼ平坦であるが373Kでは(111)面で取り囲まれたピットがGaAs面上に形成された。523Kでは界面にAu_2Gaが形成された。しかし593Kまでの焼鈍でそれらは消滅し、見かけ上AuとGaAsのみが観察された。Au_2Gaの消滅過程を調べたところ593K付近の焼鈍中にAu_2Gaが消滅しGaAsが再生していることがわかった。Au_2Ga GaAsと言う反応が起きるためにはAsが必要である。熱力学的にはAu_2Ga中にはAsが存在しなければならないためそのAsとGaとの再結合によりGaAsが生成したと結論された。Al-GaAs:室温で作成したAl-GaAs界面は773Kまでの焼鈍では殆ど変化がなかった。773Kで1時間焼鈍したAl-GaAsの断面観察及びEDX分析結果、AlのGaAs中への拡散並びにGa及びAsのAl中への拡散が検出された。GaAs中へのAlの拡散はGaとAlの置換によるAl-Ga-As混晶の形成と考えられる。773Kまで各温度で10分焼鈍した試料のGaAs660回折スポットの形状変化によると、試料の形状より、始め偏平であったスポットが673Kで丸く、773Kで少し縦長に変形した。AlAsはGaAsより0.14%ほど格子定数が大きいためAlとGaが置換した分スポットが変形したと考えられる。Au-GaAs系とAl-GaAs系における界面反応の大きな違いは、金属とGaの化合物が存在するか否かにより説明できる。即ちAu-GaAs系ではAu-Gaの化合物の形成がGaのAu中への拡散を促進し、その結果界面に大きな変化を引き起こす。従って平衡状態で化合物を作る系では界面が不安定であると予測される。