2002年度 太田研究室

教 授  太 田 英 二

1. 研究室の概要(平成14年4月~平成15年3月)

平成14年度における本研究室は、学生15名、うち大学院博士課程1名(D3、1名)、
修士課程2年4名、同1年4名、学部4年6名で構成された。
本研究室の研究テーマは、以下のように分類できる。

[ A ] 半導体材料に関する研究
[ B ] 化合物半導体に関する研究
[ C ] 導電性薄膜に関する研究
[ D ] 有機薄膜に関する研究

研究助成として学事振興資金(慶應義塾)を受けた。(研究課題:イオンビームスパッタによる非晶質炭素薄膜の作成と構造解析に関する研究)

2. 研究活動

目的および内容

[ A ] 半導体材料に関する研究

[A-1] Au熱拡散およびイオン照射によるSi中の深い準位の解析(M1 岩田)
電力用半導体素子のスイッチング応答を向上させるための手段として注目されているのが不純物金属の熱拡散である。熱拡散では欠陥が表面から半導体内部に向かってほぼ一様に分布する。これに対して近年注目されている方法が高エネルギー軽元素イオン照射による深い準位の形成である。イオン照射による方法ではバルク中の特定の深さに局所的に欠陥を作ることが可能である。今年度はこれまで個々に調べられてきたこれらの手法を併せて用いた。
金を熱拡散したn-Siに水素イオンを照射し、ショットキダイオードを形成した後DLTS法により解析を行った。その結果、熱拡散後にイオン照射を行宇土により観測された欠陥準位は、金拡散のみおよび水素イオン照射のみで生じる欠陥に分類されるが、欠陥同士の反応によると考えられる欠陥濃度の増減を認めた。

[A-2] SiO2/Si, Al2O3/Si MOS構造における界面準位のSP-DLTS解析(M2 荻窪)
MOS構造は、VLSI・ULSIの最も重要な構成要素であり、酸化膜/半導体界面状態の性質を制御・評価することが素子の特性向上には不可欠である。また最近ではSi酸化膜の物理的限界から、これに代わる幸誘電率酸化膜(high-k膜)の開発が急務とされている。本研究では、SiO2/Si界面、Al2O3/Si界面のSP-DLTS解析を行い、最適な測定条件を明らかにするとともに、測定結果から得られた界面準位密度・捕獲断面積の評価を行った。 測定条件として印加バイアスパルスの高さ及びDLTS足提示に設定する時定数に着目し、HF-CV法と比較することで、SP-DLTS法が有効なMOS界面評価法であることが示された。
SP-DLTS測定により、SiO2/n-(100)Si界面に2つの界面準位が観測された。分布しているエネルギー範囲および捕獲断面積を求める際に得られる準位に固有なパラメータ(DEs,s0)の比較から、1つはSiO2/n-(111)Si界面にも存在するSiダングリングボンド(Pb-center)である可能性が高い。もう一方は電気陰性度に関する考察により酸素ダングリングボンドが候補として挙げられる。
Al2O3/Si界面からは3つの界面分委が観測された。すべてについてSiO2/n-(100)Si
界面との共通性は見られなかった。XPS測定より得られた酸化膜中のAlOx構造は界面でも存在していると考えられ、3つの界面準位の原因の一つと考えられる。
SP-DLTS法を用い、スペクトル解析に用いる式を厳密に導出することで、界面準位
密度と捕獲断面積のエネルギー依存性が得られた。エネルギーが0.15eVの範囲で104倍変化する捕獲断面積が得られた。DLTSスペクトルに対するノイズの影響を考慮すると、表面ポテンシャル変化が約0.02eV程度になるように測定することが望ましいことがわかる。HF-CV法の結果と比較することにより、SP-DLTS法が有効な界面評価法となりうることがわかった。今後は、界面とバルク中の欠陥を分離して評価することが課題となる。

[A-3] 多孔質シリコンの微細構造と発光特性(M2 石井)
Siはバンド構造が間接遷移型であるため、室温では発光したいとされている。しかし、1990年にSiを多層質化することにより室温で高効率の可視発光を示すことが報告されてた。そのため基礎と応用の両面から注目されている。
本研究では、フッ酸溶液中でSiに定電流を流す陽極化成により多孔質シリコンを作
成した。XPSスペクトルとPLスペクトルにより、発行特性が多孔質シリコンの酸化状態に強く依存することを確認した。急速熱酸化処理を行った試料では、PLスペクトルとDLTS測定の結果から、多孔質シリコンの発光強度と欠陥準位の間に相関を見出した。また、Al/多孔質シリコン/結晶シリコン構造のダイオードでは、印加電圧が低い(<1V)場合には熱電子放出過程によるキャリア注入で説明されるI-V特性が見られ、また高い印加電圧(>1V)ではI-V特性が空間電荷制限電流により説明された。

[A-4] Si微結晶を含むSi/SiO2薄膜の作成(B4 中田)
1990年にポーラスシリコンの室温可視発光が報告されて以来、Si微細構造のPLに関する研究が盛んに進められてきた。本研究ではイオンビームスパッタおよび真空蒸着法によってSi基板上にSiOx薄膜を堆積し、熱処理によりSi微結晶の形成を図った。FT-IR測定によりSi-O-Si結合の存在が確認された。アニール温度の上昇に伴いIRスペクトルはSiO2のものに近づいた。また、真空蒸着による堆積膜はスパッタによって作製した資料には見られないIR吸収ピークを示した。

[A-5] 陽極化成法によるSiウェハの針状加工(B4 櫻井)
液晶に替わる次世代フラットパネルディスプレイとしてフィールドエミッタディスプレイ(FED)が注目されている。FEDを実用化するためには低電圧で電子を電界放出させることが必要となる。そのためには電界放射体(FE)の形状を針状にすることが有効である。 本研究では、針状のFEを作製するためにSiウェファを陽極化成した。陽極化成条件(化成時間、電流密度、Siウェファ抵抗率)に依存して、形成される突起物の形状が変化することを見出した。針状加工に最適な条件をしらべ、高さ5-10mm、先端の幅1-1.5mmのSi針状突起物を得た。今後、陽極化成法でFEを整列させて作製することが課題となる。

[ B ] 化合物半導体に関する研究

[B-1] Ag2Te薄膜の作成と磁気抵抗効果(M1 吉田)
これまで磁気抵抗デバイス材料として注目を集めていた材料は、磁性金属を含む磁性多層膜やペロブスカイトなどの磁性化合物が主流であった。磁性多層膜は、磁場を加えると界面スピンが配向し、界面スピンが電子輸送を調整することにより負の磁気抵抗効果を生じる。またペロブスカイトは、磁場により誘起される金属/絶縁体転移のため負の磁気抵抗を発生する。化合物半導体Ag2Teにおける磁気抵抗の主な特徴は、磁性化合物とは異なり正の磁気抵抗効果を示し、高磁場(最大5T)においても飽和しないことである。しかし、化合物半導体Ag2Teではこの大きな磁気抵抗効果の発生原因が未解明である。この発生条件を探索し解明することは、今後の半導体物性において大きな発展をもたらすと考えられる。
本研究ではAg2+xTe薄膜を作製し、磁気抵抗効果を中心とした電気的特性を調べた。

[B-2] LB法によるZnS微粒子薄膜の作成(M1 星野)
微粒子の光学的特性は近年大きな関心を集めているが、ナノメートルサイズのZnS: Mn微粒子においてはバルクに比べて数桁も短い蛍光寿命と高い発光効率が実現されることが報告されている。本研究ではZnS:Mn微粒子を作製することを目的としてた。
薄膜化技術としてはLB法を用いた。LB膜は下層液上に有機分子を展開し、その中で基盤を上下させることにより堆積される薄膜である。LB膜は多結晶の秩序構造を成した膜を作製でき、堆積層数により膜厚を調整できる利点を持つ。このように作製した多層膜をXPSにより測定した。 現在はLB膜中にZnイオンの混入可能性を検討しており、作成条件の探索を行っている。

[B-3] Zn4Sb3結晶の作成および電気的・熱電的性質(B4 秋吉)

[ C ] 導電性薄膜に関する研究

[C-1] イオンビームスパッタによるCuAlO2薄膜の作成(M2 穂刈)
酸化物透明導電体は、現在まで数十種が発見され、表示素子や太陽電池の透明電極としてはITOなどが広く使用されている。これらの酸化物透明導電体はすべてn型半導体であったが、p型透明導電体が得られれば、透明導電性半導体同士のpn接合により、透明半導体デバイスの形成が可能となる。近年、CuAlO2薄膜をレーザーアブレーションにより作成し、p型導電性透明薄膜を得たとの報告がある。本研究では、イオンビームスパッタ法を用いて、CuAlO2薄膜の作製を試みた。
試料は、酸素中(分圧約1×10-4Torr)、基板温度700℃において石英基板上にCuO・Al2O3ターゲットを交互にスパッタすることによって作製し、引き続いて大気中700℃で1時間アニールを行った。EPMA測定によればCu/Al原子数比(Cu:Al)がほぼ1に近い組成の薄膜を得ることができた。抵抗率は1.6×106Ωcm、ホール係数は0.82cm3C-1であり、p形伝導を示した。可視光透過率はアニールにより増加し35~90%であった。

[C-2] アモルファス炭素膜の作成と評価(B4 大西)
炭素は、ダイヤモンドをはじめ黒鉛、フラーレンなど多様な構造を示すが、Diamon d-like Carbon(DLC)と呼ばれる非晶質炭素は、強固であるところから表面保護膜と
して、また導電性を付与できれば仕事関数の小さな電子放出体となるため平面ディスプレイ用材料として注目されている。本研究ではイオンビームスパッタによDLCの
成膜条件とその構造、および電子放出特性の評価法を検討することを目的とした。
イオンビームスパッタ法により1×10-4Torr以下の圧力の真空中でDLCの成膜が可能であった。X線反射法により作成したDLC薄膜の膜厚を測定した。基板温度400℃以下の膜ではX線反射による干渉縞が明瞭に観測され、32nmの膜厚を得た。基板温度400℃以上では、その成膜速度は400℃以下の基板温度に比較して約25%減少することを示した。 薄膜中の炭素の結合状態を調べるためにラマンスペクトルの測定を行った。ラマンシフト1530cm-1付近にsp3結合によるピークおよび1330cm-1付近にsp2結合によるピークを認め、非晶質炭素膜(DLC)の形成を確認した。 形成されたDLCの電子放出特性の評価装置を設計製作した。この装置を用いてDLCの電子放出特性を測定した結果、シリコン結晶においては電子放出を認めることはできなかったが、DLCでは対向電極距離3mmにおいて40V以上の印加電圧でトンネル効果によるFowler-Nordheim型の電流-電圧特性が観測されDLCにおいて電子放出が容易になることが示された。

[ D ] 有機薄膜に関する研究

[D-1] Al系陰極を用いた有機発光ダイオードの電子注入電極の作製と物性評価
(D3 仲由)
有機発光ダイオード(OLED)の長寿命化を目指すには、さらに効率よく発光する素子を必要とする。OLED素子において現在最も多く用いられている陰極材料はMgAgであるが、長寿命化のためにはより安定した金属を用いることが必要である。そこで、本研究ではAlを陰極に用いた素子の電子注入効率について検討することを目的とし、Al/Alq3/Alの構造を持つ素子に電子線照射効果に関する実験的研究をおこなった。 Al-400Å/Alq3-1000Å/Al-400Åの構造を持つ素子を作製した。電子線の照射は、Alq3を全て積層した後、または積層途中から蒸着しながら行った。Alq3積層後に電子線照射した試料では電流電圧特性は劣化した。またXPSによるO1sスペクトルの測定結果からAlq3内部に欠陥が生成されたことが示唆された。これらの結果からこの欠陥が界面付近で電子をトラップし電子注入効率が低下したと考えられる。一方、Alq3の蒸着中に電子線を照射した場合XPS測定によるO1sスペクトルには変化が見られなかった。また電流電圧特性に関しては後半の250Åに電子線照射を行った試料ではよくなり、500Åに電子線照射を行った試料ではかえって劣化した。その原因解明に向け、さらに研究を進めている。

[D-3] Alq3薄膜の熱刺激電流(M2 藤田)
有機EL素子の電子構造には未知な部分が多い。特にトラップ準位は素子の電気的特性に影響を与えると考えられるが、有機材料のトラップ準位に関してほとんど知られていない。そこで本研究では熱刺激電流法(TSC)を用いて、有機EL素子材料の中で最も一般的な有機物であるAlq3のトラップ準位の検出を行い、その空間分布と形成原因を調べた。
その結果、低温領域に負のピーク、190Kに正のピークを得た。これらのTSCピーク
に対応するトラップ準位は、最低空分子軌道(LUMO)からそれぞれ0.22eV、0.52eVの深さに存在することがわかった。初期のポーリング電圧の反転により、低温付近のピークは反転して正となったが、190Kピークは変わらなかった。ポーリング時に電子をどちらの電極から注入しても脱トラップ電子は上部電極へ流れることは、0.52eVトラップ準位は上部Al電極側に多く存在することを示している。また上部Al電極の蒸着速度が速い試料ではTSCスペクトルピークが大きくなったことから、0.52eVトラップ準位はAl蒸着の影響であることが示唆された。一方、0.22eVトラップ準位は空間的にほぼ均一に存在し、このトラップ準位は膜の構造欠陥や不純物によって形成されると推定された。

[D-4] 「ITO/TPD/Alq3/Al構造有機EL素子の電気的特性」(M1 松田)
有機REL(Electro-liminescence)素子は有機物の薄膜に電極から電荷を注入する ことにより発光を得る自発光型素子である。低電圧駆動、高速応答、薄型、面発光という特徴を持ち、高性能フラットパネルディスプレイとして期待されている。しかし
さらなる発光効率の向上、耐久性等が課題である。有機EL素子内には空間電荷が存在し、その電気的性質に影響を及ぼすと考えられている。しかしその性質および挙動については未知な部分が多い。本研究では素子のコンダクタンス、キャパしタンスの印加電圧依存性および周波数依存性の測定から空間電荷の挙動について調べた。

[D-5] ポリイミドLB膜の熱分解によるSiCの形成と構造評価(B4 藪内)
SiCは広いバンドギャップを持つ半導体として、高出力、高温、高周波数デバイス への応用が期待されている。本研究ではポリイミド(PI)-LB膜およびその前駆体であ るPAAS-LB膜をSi基板上に成膜したのち、真空中で熱分解することによりSiC結晶薄膜を成長さた。 FT-IRの結果より、1150℃以下の温度でアニールしたPI-LB膜ではSiCの形成は認められなかった。また、PI-LB膜およびPAAS-LB膜を1200℃でアニールすることによりSi-C結合が増加した。XPSによる深さ方向分析によりSiC/Si層構造が観察され、PI-LB膜およびPAAS-LB膜が熱分解してSiC層を形成することを示した。X線によりSiC(111)に対応する回折が認められ、さらに膜は高度に配向していることを示した。

3. 発表論文・学会講演 他

[ A ] 発表論文

  1. 岸野賢悟、太田英二
    ケルビンプローブ法によるTPD/Alq3系有機EL素子の接触電位差測定 表面科学、vol.23, No.7, 445-460(2002).
  2. T.Okada, E.Ohta
    Visible photoluminescence form evaporated SiOx thin films
    Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41, No.11A, 6413-6416(2002).

[ B ] 学会・研究会等

  1. 2002年5月 岩田旬史、荻窪真也、太田英二
    「p型Si中におけるイオン照射欠陥の特性解析」
    日本材料科学会平成14年度学術講演大会、工学院大、東京
  2. 2002年5月 吉田浩之、太田英二
    「Ag2Te薄膜の作製と電気的特性」
    日本材料科学会平成14年度学術講演大会、工学院大、東京
  3. 2002年5月 荻窪真也、岩田旬史、太田英二
    「Au/SiO2/Si MOS構造における界面準位のSP-DLTS解析」
    日本材料科学会平成14年度学術講演大会、工学院大、東京
  4. 2002年9月 藤田真継、池崎和男、太田英二
    「Tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3)薄膜の熱刺激電流」
    応用物理学会学術講演会、新潟大、新潟
  5. 2002年9月 吉田浩之、太田英二
    「Ag2Te薄膜の作成と巨大磁気抵抗効果」
    応用物理学会学術講演会、新潟大、新潟
  6. 2003年3月 荻窪真也、岩田旬史、太田英二
    「SiO2/Si MOS構造における乾麺準位のSP-DLTS解析」
    応用物理学会連合講演会、神奈川大、横浜

[ C ] 博士論文(太田教授が審査に加わった博士論文)

  1. 米谷佳晃 基礎理工学(応用物理情報)甲 2002.9
    主査:横井 副査:池崎、太田、能勢、大場
    「分子動力学シミュレーションにおける結晶構造相転移の促進法」
  2. 加藤治郎 基礎理工学(応用物理情報)甲 2003.3
    主査:伊藤 副査:武藤、太田、能勢
    「Effects of electronic correlation and host isotopes on infrared sp
    ectra of impurities in semiconductors」
  3. 岡田悟志 基礎理工学(応用物理情報)甲 2003.3
    主査:的場 副査:安西、椎木、太田
    「強相関電子系CoO2平面を有する層状オキシ硫化物半導体の合成と物性」

[ D ] 修士論文(基礎理工学専攻 応用物理情報専修)

  1. 石井 啓太 「多孔質シリコンの発光と電気的特性に関する研究」
  2. 荻窪 真也 「SiO2/Si, Al2O3/Si MOS構造における界面準位のSP-DLTS解析」
  3. 藤田 真継 「Alq3薄膜の熱刺激電流」

[ E ] 卒業研究(物理情報工学科)

  1. 大西 俊靖 「アモルファス炭素膜の作成と評価」
  2. 櫻井 勝夫 「陽極化成法によるSiウェハの針状加工」
  3. 中田 祐樹 「Si微結晶を含むSi/SiOx薄膜の作製」
  4. 藪内 真 「ポリイミドLB膜の熱分解によるSiCの形成と構造評価」

[ F ] 在学生の研究テーマ

  1. D3 仲由 亮哉 「Al系陰極を用いた有機発光ダイオードにおける電子注入電極の作製と物性評価」
  2. M2 穂刈実紀夫 「イオンビームスパッタによるCuAlO2薄膜の作成」
  3. M1 岩田旬史 「Au/SiO2/n-Si MOS構造における界面準位のDLTS解析」
  4. M1 星野 英 「LB法によるZnS微粒子薄膜の作成」
  5. M1 松田敦義 「ITO/TPD/Alq3/Al構造有機EL素子の電気的特性」
  6. M1 吉田浩之 「Ag2Te薄膜の作製と磁気抵抗効果」
  7. B4 秋吉達也 「Zn4Sb3結晶の作成および電気的・熱電的性質」
  8. B4 坂口義章 「Si中のZn不純物の空間分布制御」

4.その他

[ A ] 平成13年度修了、卒業生などの進路(就職・進学先など)

  1. 東芝
  2. 富士写真フィルム
  3. セイコーインスツルメント
  4. パナソニックシステムソリューションズ
  5. アンリツ
  6. 中部電力
  7. 本塾理工学研究科修士課程基礎理工学専攻進学

[ B ] その他

  1. ゼミ合宿(夏) 白子(千葉)(2002年7月)
  2. 打ち上げ合宿 苗場(2003年2月10日~12日)

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics