室温でのSi上酸化物単結晶薄膜成長による半導体/絶縁体整合ヘテロ界面の形成

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本年度の研究では、シリコン基板上に室温で形成した酸化セリウム単結晶薄膜の整合ヘテロ界面の電気特性評価と結晶成長方位の原始レベル評価を行った。シリコン上への酸化物薄膜の成膜方法では、シリコン基板を水素で終端する清浄表面化処理後、成膜室内にセットし、基板加熱せずに酸化物ターゲットをレーザーMBE法により、基板に膜を堆積する。成膜中は、適当な酸素分圧で基板上に酸素ガスを吹き付ける。また、反射高速電子線回折(RHEED)のその場測定により、膜成長中の構造変化を追跡した。その後、シリコン/酸化セリウム整合ヘテロ界面を用いたMOS型(金属-酸化物-シリコン)電子デバイスを構築し、そのI-V、C-V特性を調べた。さらに高分解能透過型電子顕微鏡観察により、界面構造評価を行った。その結果、下記の研究成果を得ることができた。2段階成膜プロセスを経るレーザーMBE法により、従来考えられなかったような室温という低温でSi(111)基板上にCeO_2単結晶薄膜を作製することに成功し、高分解能TEM格子像の観察から、SiO_xアモルファス層などの形成は見られず、完全に格子整合した界面であることがわかった。この際の成長様式は、高温成長で見られるBタイプ成長ではなく、シリコンと完全に格子整合したAタイプ成長であることを見出した。このように、超高真空中でのレーザーMBE成膜では、セラミックス薄膜の原子層制御のみならず、従来予想できなかったような低温成膜が可能となることがわかった。室温成長CeO_2/Si界面を利用したMOS構造(金属-酸化物-半導体)における電流-電圧特性を調べると、絶縁破壊電圧は1MV/cm以上を示し、電気的にも高品質な酸化物/Si界面が形成されていることがわかった。