電子線位置制御による高密度極微電極島の自然形成

Si基板上のエピタキシャルCaF_2薄膜表面にGa、Al等の金属ドロップレットを位置制御しながら自然形成し、これを単電子素子の極微細電極島として利用する新しいプロセス技術の開発を目的として行った。ここで、位置制御は、集束電子ビームによるCaF_2の局面的表面改質を利用する方法と、CaF_2表面の分子層高さのステップ構造を利用する方法の二つを検討している。電子ビームを用いる方法では、既に、CaF_2上にGaの金属ドロップレットを、2次元的に位置制御してビーム照射位置のみに選択的に形成し、2次元ドットアレイ構造が形成できることが示されていた。本研究では、これを電子の横方向のトンネルが可能になる10nm程度まで微細化する方法を検討した。シミュレーションの結果、ビーム照射時に表面に堆積していた金属Asでの電子の散乱が問題であることがわかり、この層を用いないプロセスとして、ビーム照射後のCaF_2表面の清浄化を真空中の熱処理で達成する方法を検討し、その有効性を示した。CaF_2のステップ構造を利用する方法では、GaおよびAlいずれでも堆積温度を選ぶとこれらのドロップレットがほぼ完全にステップエッジ上に1次元的に高密度配列できることを明らかにした。さらに、Alの核を形成してからGa堆積する2段階堆積法を新しく提案し、この方法で、隣接電極間隔が4nm以下の構造を実現した。さらに、この1次元アレイを横方向多重トンネル接合とするダイオードおよびトランジスタを試作し、室温でクローンブロッケイド特性を観測した。これにより、この材料系と基本構造で単電子素子を構成できることを示した。今後、電子ビームを組み合わせた位置制御法の組み合わせで制御性の高い単電子素子のプロセス技術が実現できると考える。

Si基板上のエピタキシャルCaF_2薄膜表面にGa、Al等の金属ドロップレットを位置制御しながら自然形成し、これを単電子素子の極微細電極島として利用する新しいプロセス技術の開発を目的として行った。ここで、位置制御は、集束電子ビームによるCaF_2の局面的表面改質を利用する方法と、CaF_2表面の分子層高さのステップ構造を利用する方法の二つを検討している。電子ビームを用いる方法では、既に、CaF_2上にGaの金属ドロップレットを、2次元的に位置制御してビーム照射位置のみに選択的に形成し、2次元ドットアレイ構造が形成できることが示されていた。本研究では、これを電子の横方向のトンネルが可能になる10nm程度まで微細化する方法を検討した。シミュレーションの結果、ビーム照射時に表面に堆積していた金属Asでの電子の散乱が問題であることがわかり、この層を用いないプロセスとして、ビーム照射後のCaF_2表面の清浄化を真空中の熱処理で達成する方法を検討し、その有効性を示した。CaF_2のステップ構造を利用する方法では、GaおよびAlいずれでも堆積温度を選ぶとこれらのドロップレットがほぼ完全にステップエッジ上に1次元的に高密度配列できることを明らかにした。さらに、Alの核を形成してからGa堆積する2段階堆積法を新しく提案し、この方法で、隣接電極間隔が4nm以下の構造を実現した。さらに、この1次元アレイを横方向多重トンネル接合とするダイオードおよびトランジスタを試作し、室温でクローンブロッケイド特性を観測した。これにより、この材料系と基本構造で単電子素子を構成できることを示した。今後、電子ビームを組み合わせた位置制御法の組み合わせで制御性の高い単電子素子のプロセス技術が実現できると考える。