表面超格子を用いた単結晶シリコンカ-バイドの原子層制御エピタキシ-

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本研究は、表面超格子を構成する限定された数の原子の表面化学反応を用いて、原子層レベルで成長を制御する新しいエピタキシ-技術を確立し、広禁制帯幅半導体として種々の応用が期待されているシリコンカ-バイド(SiC)の単結晶成長に応用することを目的とする。超高真空下におけるシリコンカ-バイドの成長において、供給原料原子により基板表面に特定の表面超格子が形成され、それが連鎖的に再配列を繰り返し成長が進行する。1.SiC表面超構造の同定 CVD法によってSiオフ基板上に製作したシングルドメインの3CーSiC(001)面にC_2H_2を照射してC終端のc(2×2)表面とした後、Si_2H_6の照射を行った。このとき[110]人射のRHEED像において超構造ストリ-クの現れる各位置の輝度の時間変化を実時間解析した。Si_2H_6照射後(2×1)の信号が極大となるまでの時間を1とすると、(5×2)の極大は1.15、(3×2)は1.35となり、これは各構造の構成Si原子数の比を表していると考えられる。この結果を最もよく説明できるのは、(2×1)については1層分のSiからなるsimple dimer model、(5×2)および(3×2)についてはそれぞれ1.2層分および1.33層分のSiからなるadditional dimer modelである。2.高品質単結晶シリコンカ-バイド成長 3CーSiC(100)面に、Si_2H_2およびC_2H_2のガス分子線を交互に照射する。Si_2H_6分子はSiC表面で熱的に分解されてSi原子を生成するのに対し、C_2H_2分子は熱的には分解されず、基板表面に吸着しているSi原子との反応によってSiCが形成される。1サイクルあたりの成長膜厚は1.によって明らかにされたSi原子の吸着量によって決定され原子層レベルで制御されたエピタキシャル成長が可能となった。基板温度、原料ガス供給時間等成長条件を最適化したところ、鏡面で結晶性の良い高品質シリコンカ-バイドの単結晶成長が実現できた。