2000年度 太田研究室

構成

教授
太田英二
博士
仲由亮哉,林健一
修士
小黒伸顕,岡田健見,岸野賢悟,鈴木正彰
学部
中尾田隆,石井啓太,荻窪真也,穂刈実紀夫,藤田真継

研究成果

1.研究室の概要(平成12年4月~平成13年3月)

平成12年度における本研究室は、学生11名、うち博士課程2名(D2、2名)、修士課2年1名、同1年3名、学部4年5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 ] 酸化物電気伝導体に関する研究 [ D ] 有機薄膜に関する研究

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]n型Si中水素イオン照射欠陥に関する研究(M2 小黒)

高エネルギー水素イオン照射によるライフタイムキラーの導入は、重金属拡散や電線照射では不可能な局所的少数キャリア寿命制御法として期待されている。そこで 、本研究では単結晶n形Siに対してMeV程度の高エネルギー水素イオン照射を行い、生成される欠陥の特性、深さ方向濃度分布およびアニール挙動について調べた。その結果、水素イオン照射により禁制帯上半分にピュアダメージによる欠陥準位に加え、2つの水素関連欠陥による局在準位が形成されることがわかった。DLTS測定から得られた欠陥分布はピークを持ち、そのピークの深さはZBL遮蔽関数を用いたモンテカルロ計算結果とほぼ一致した。このことは照射イオンエネルギーにより欠陥発生層の深さ を正確に制御しうることを示している。また、水素照射によって多く生成するEc-0.3 eVの水素関連欠陥は200℃まで熱的に安定であり、デバイスの温度上昇に耐えうるライフタイムキラーとなる可能性が示された。

[A-2]Au/SiO2/n-Si MOS構造における界面準位のDLTS解析(B4 荻窪)

MOS構造は、VLSI・ULSIの最も重要な構成要素となっており、SiO2/Si界面状態の性質を制御・評価することがデバイス作成には不可欠である。DLTS法は、高感度な欠陥検出法として幅広く用いられているが、MOS構造の界面準位はエネルギー的に連続しており、これまでDLTS法のMOS構造への適用は困難とされてきた。しかし、界面準位 にキャリアを供給するバイアスパルスを小さくしたSP(small pulse)-DLTS法が提案 されてから、多くの解析・解釈が行われている。そこで、本研究ではCZ-n型Si(111) を試料としてDLTS解析を行い、その結果について検討した。 SP-DLTS法を用いることで、エネルギー的に連続する界面準位のエネルギー分解が可 能となり、その結果電子の捕獲断面積、界面準位密度のエネルギー依存性が得られた 。実験的に得られたバンドギャップのエネルギー範囲では、バンドギャップの中心に 向かって電子の捕獲断面積は大きくなり、界面準位密度は小さくなる。しかし、実験 ではバルク中の欠陥による大きな信号が観測されており、界面とバルク中の欠陥を分離して評価することが今後の課題である。

[A-3]SiO/GeO交互蒸着によるGe微結晶の生成と可視発光(M1 岡田) 

Si,Ge微粒子からの発光は、基礎と応用の両面から注目され、多くの研究がなされ ている。とくにGe微粒子はSi微粒子に比べて量子サイズ効果が顕著に現れやすく、発光機構の解明につながる可能性がある。その作成法としては、スパッタ法、CVD法、 レーザーアブレーション法、イオン注入法などが挙げられる。本研究では、それらとは異なり、比較的簡便な方法である抵抗加熱法による真空蒸着によって、Ge微結晶を薄膜中に作成することを試みた。  試料はSi基板上にSiOとGeOを交互蒸着することによって作成し、続いて窒素中でアニールを行った。薄膜X線測定、TEM観察によりGe微結晶の存在が確認された。シェラ ーの式より見積もった微結晶の平均サイズは、アニール温度の上昇とともに増大した 。フォトルミネセンスの測定は、励起光として325nmのHe-Cdレーザーを用いた。蒸着膜からは青色の発光が観測され、アニール温度を高くすることによって赤色にシフト した。

[ B ] 化合物半導体に関する研究

[B-1]n型Ag2Te薄膜の電気的特性(B4 中尾田)

磁気抵抗素子用材料として研究されてきた物質は磁性金属/非磁性金属多層膜やペ ロブスカイトなど磁性化合物が主流である。一方、非磁性金属・半導体・半金属は0. 1T以下300K以下では磁気抵抗効果が一般に検知されない。ところが、Ag2SeとAg2Teは ナローギャップn型自己ドープ縮退半導体であるが、最近、室温において5.5T以下で 200%に及ぶ大きな磁気抵抗効果を示すことが報告されている。
本研究ではAg2+δTe薄膜を真空蒸着法によってガラス基板上に作製し、薄膜X線回 折で結晶性を確かめ、化学量論比のずれδと室温および77Kにおけるホール係数、抵抗率、0.32Tにおける横磁気抵抗効果を測定した。その結果1)小さいδ(-0.18~+0.04)、2)高いキャリア密度(0.6~1.2×1019/cm3)の結果としての低い抵抗率(9 ×10-4Ωcm)、3)高い移動度(600~1200cm2/Vs)、という3つの特徴をみたす試料において2%(室温)もの磁気抵抗効果を観測した。

[B-2]イオンビームスパッタによるSiCの作製(B4 石井) 

SiC(シリコンカーバイド)は、化合物として安定な物質であり、耐薬品性、機械的強度(硬度)の点からも非常に優れた特性を持っている、SiCは半導体としても有用であり、過酷な条件下で使用される電子デバイス材料として注目を集めている。
本研究では、比較的低温で薄膜作製ができるイオンビームスパッタ法を用いてSiC は悔い膜を合成し、真空中におけるアニール(700~1100℃)処理によるSiCの成長について調べた。FT-IR(赤外光吸収)、XPS(X線光電子分光法)スペクトルの解析から、薄膜中にSiCの存在が確認できたが、不純物としてSiO2、炭素クラスタが存在す る。アニール温度を高くすることにより、SiCスペクトルの増加が顕著にみられた。 このことから、アニール温度が高くなることによりSiCの成長が促進されることがわかった。また、AFMによる表面観察の結果、比較的平坦であった薄膜表面にアニール により2nm程度の凹凸が生じることを確認した。これはXPSスペクトルの解析により、 SiO2および炭素クラスタであると考えられる。

[ C ] 酸化物電気伝導体に関する研究

[C-1] La1-xAxMnOz(A=Ca,Sr,Ba)薄膜の作製と電気伝導に関する研究(D2 林)  

本研究においては、室温付近で大きな抵抗温度係数(TCR)をもつLa1-xAxMnOz (LAMO )を非冷却赤外線センサのボロメータ材料として捉え、その薄膜をレーザーアブレーション法により作製し、電気的特性等の評価を行ってきた。その結果、常磁性絶縁体-強磁性金属転移温度(Tc)付近で、大きなTCRが得られたが、2%/K以上のTCRが得られる温度範囲がTc付近に限られ、作製条件を含めて 実用性に疑問が残った。そのため 、LaをBiで置換したBi-La-Sr-Mn-O(BLSMO)を用いたところ、試料は400℃程度の低温 で作製することが可能となり、室温を含む広い温度範囲で2%/K以上の大きなTCRが得 られた。そして、実際にBLSMO単素子ボロメータを作製し、非冷却赤外線センサとして計測したところ、TCR及び赤外線感度(温度分解能)が現用ボロメータの性能を上回り、BLSMOは有力なボロメータ材料候補であることが明らかになった。

[C-2]イオンビームスパッタによるCuAlO2薄膜の作成(B4 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リングにより、Al/Cu2Oターゲットを酸素中( 分圧約1×10-4Torr)で交互にスパッタし、CuAlO2薄膜を作成した。EPMA測定によればCu/Al原子数比(Cu:Al)がほぼ1に近い組成(51:49)の薄膜を得ることができた。 この薄膜を大気中で700℃12時間アニールし、X線回折を行った結果、デラフォサイト構造と一致した。可視光透過率は、アニールすることにより増加し、30~60%であっ た。試料の膜厚は700Å、300Kにおける抵抗率は1.6×106Ωcmであった。

[ D ] 有機薄膜に関する研究

[D-1]Al系陰極を用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(D2 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/A lq3/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、A lq3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-2] ケルビンプローブ法によるITO/有機物、有機物/有機物界面の仕事関数測定( M1 岸野)  

昨年度、UPS(紫外線光電子分光法)に比べ簡便かつ非破壊、非帯電であるケルビンプローブ法(KPM)による仕事関数測定装置を作成したが、今年度はこれを用いて 金属および有機物の蒸着膜の仕事関数の測定を行った。  ITO/有機物(TPD)界面では、ITO/Auの場合と同様に数Åの堆積により仕事関数が急激に変化し一定値に達する。これは、ITO/有機物界面に超薄絶縁層の存在するモデ ルで期待されるものであり、金属/半導体接合とは異なっている。絶縁層の発生起源は電荷流入によるものではなく、表面準位または界面の化学結合によるものと推測さ れる。  また、有機物(TPD)/有機物(Alq3)界面では、ITO界面とは異なり仕事関数は膜厚に依存して緩やかに変化し、蒸着膜厚にして100~200Åにいたってほぼ一定値となる。このことから、有機物界面では界面近傍に分布する空間電荷の存在、つまり半導体pn接合に似たモデルを考えることができる。これは電荷流入により有機物界面に空間電荷層が生じ、観測される仕事関数を変化させるものと考えられる。  今後、有機EL素子のバンド接続構造を明らかにするため、ITO/有機物の表面解析を行うとともに有機物/陰極界面についても取り上げる予定である。

[D-3]陽極バッファ層としてAuを用いた有機EL素子の輝度-電流-電圧特性(B4 藤田)

現在、有機EL素子において電極-有機層界面にバッファ層を挿入し、低電圧駆動、高効率発光を目指す研究がなされているが、バッファ層として挿入される物質は主と して有機物や絶縁物にかぎられていた。 そこで本研究では、陽極バッファ層として仕事関数の大きい金属であるAuを用いた低分子系有機EL素子を作成した。素子は真空蒸着法によって作成し、素子構造はITO/ Au/ TPD/Alq/Alとした。5Åから150ÅのAu膜を挿入した結果、Auの膜厚に関わらず発光の閾値電圧が約2V上昇した。この結果はAuを陽極バッファ層として挿入することでホール注入障壁が大き くなったことを示している。ITOより仕事関数の大きなAuを挿入したにも関わらず注入障壁が大きくなった原因を説明するために、陽極/有機層界面におけるショットキ ー効果を用いたモデルを考えた。

[D-4]ポリイミドLB膜の熱分解によるSiCの成長(M1 鈴木)  

Langmuir-Blodgett(LB)法は優れた配向性を持つ有機薄膜を成膜することができ、 膜厚を分子単位で制御できる。高出力、高温、高周波特性を持つSiCの新たな作製方法として、ポリイミド(PI)-LB膜の熱分解する方法が近年注目されている。本研究ではPI-LB膜を成膜し、累積状態を評価すると共に熱分解によるSiC成長条件を調べた。エリプソメーター、IR(赤外光)吸光度の測定から膜厚、吸光度それぞれが累積数にぼぼ比例していることから累積状態は良好であり、その一層当りの膜厚はポリアミド酸アルキルアミン塩LB膜では約10.5Å、PI(ポリイミド)-LB膜では約3.8Åとなっ た。PI-LB膜の熱分解によるSi-C結合の成長は温度、時間に比例して増加した。また その成長は累積数にも比例してゆるやかに増加した。さらに赤外吸収スペクトルから 存在が示されるSi-CおよびSi-N結合を確認するためにX線回折を行ったが、20層までの累積では結晶の存在は確認できなかった。これを解決するため膜厚(累積層数)を増加させるべく実験装置の改良に取り組んでいる。

発表論文・学会発表・特許申請など

論文

  • 小山紀久、岡島康、太田英二、武田京三郎、白石賢二、山口浩司、 伊藤智徳、大野隆央 「InAs/GaAs(100)ヘテロ界面におけるミスフィット転位と成長モードの関係」 表面科学
  • K.Okajima, K.Takeda, N.Oyama, E.Ohta, K,Shiraishi, and T.Ohno “Phenomenological Theory of Semiconductor Epitaxial Growth with Misfit-Dislocation” Jpn.J. Appl. Phys. 39[9]L917-L920(2000)
  • K. Hayashi, E. Ohta, H. Wada, and H. Higuma “Bismuth-Substituted Lanthanum Manganite for Bolometric Applications.” Jpn. J. Appl. Phys. 39, L1308-L1310(2000)
  • K. Hayashi, E. Ohta, and H. Wada “The Bi-Substitution Effect in La-Sr-Mn-O Thin Films for Bolometric Applications.” Jpn. J. Appl. Phys. 40, L403-L405(2001)
  • S.Yoneda, E.Ohta, H.T.Kaibe, I.J.Ohsugi, I.Shiota, and I.A.Nishida “Grain Size Effect on Thermoelectric Properties of PbTe Prepared Spark Plasma Sintering” Materials Trans. 42[2], 329-335(2001)

解説

  • 白石賢二、小山紀久、岡島康、武田京三郎、山口浩司、伊藤智徳、 太田英二、大野隆央 「半導体格子不整合系におけるエピタキシャル成長の理論的研究」 日本結晶成長学会誌、27[4]、250-256(2000)

口頭発表

  • 2000年5月 岸野賢悟、仲由亮哉、太田英二 「ケルビン法を用いたAlq3薄膜の仕事関数の測定」 日本材料科学会学術講演大会、工学院大(東京)
  • 2000年5月 岡田健見、太田英二 「SiOx蒸着膜の光学特性」 日本材料科学会学術講演大会、工学院大(東京)
  • 2000年5月 鈴木正彰、太田英二 「ポリイミドLB膜の熱分解によるSiCの成長」 日本材料科学会学術講演大会、工学院大(東京)
  • 2000年5月 小黒伸顕、太田英二 「プロトン照射n型Si中のトラップ準位」 日本材料科学会学術講演大会、工学院大(東京)
  • 2000年5月 中尾田隆、太田英二 「n型半導体Ag2Te薄膜の作製および電気的性質」 日本材料科学会学術講演大会、工学院大(東京)
  • 2000年9月 林健一, 太田英二, 和田英男: 「La0.7Ca0.3MnO3-δ/SrTiO3薄膜の電気伝導特性」 第61回応用物理学会学術講演会, 北海道工業大(北海道)
  • 2001年3月 林健一, 太田英二, 和田英男: 「La0.7A0.3MnO3-δ(A=Ca,Sr,Ba)薄膜のボロメータ特性」 第48回応用物理学関係連合講演会, 明治大駿河台校舎(東京)
  • 2001年3月 林健一, 太田英二, 和田英男, 樋熊弘子, 宮下章志: 「非冷却マイクロボロメータBi-La-Sr-Mn-Oの作製」 第48回応用物理学関係連合講演会, 明治大駿河台校舎(東京)
  • 2001年3月 岡田健見, 太田英二: 「SiO/GeO交互蒸着によるGe微結晶の生成と可視発光」 第48回応用物理学関係連合講演会, 明治大駿河台校舎(東京)
  • 2001年3月 小黒伸顕, 荻窪真也、太田英二: 「n型Si中の水素イオン照射欠陥の深さ方向濃度分布とアニール挙動」 第48回応用物理学関係連合講演会, 明治大駿河台校舎(東京)
  • 2001年3月 藤田真継, 仲由亮哉、太田英二: 「陽極バッファ層としてAuを用いた有機EL素子の輝度-電流-電圧特性」 第48回応用物理学関係連合講演会, 明治大駿河台校舎(東京)
  • 2001年3月 荻窪真也, 小黒伸顕、太田英二: 「Au/SiO2/n-Si MOS構造における界面準位のDLTS解析」 第48回応用物理学関係連合講演会, 明治大駿河台校舎(東京) [ D ]

学位論文

博士論文

  • 小山紀久 物質科学 甲 2000.9 主査:太田 副査:高橋、横井、斎藤、武田 「第一原理計算によるミスフィット転位とヘテロエピタキシャル成長に関する研究」
  • 小峰啓史 計測工学 甲 2001.3 主査:椎木 副査:安西、横井、太田、能勢 「実空間基底を用いた第一原理電子状態計算法の研究」
  • 徐晋旭  電気工学 甲 2001.3 主査:桑野 副査:松本、高橋、太田 「選択的グレイン成長多結晶Si薄膜形成技術に関する研究」

修士論文

  • 小黒伸顕(物質科学専攻)「N型Si中の水素イオン照射欠陥に関する研究」

卒業論文

  • 中尾田隆  「n型Ag2Te薄膜の電気的特性」
  • 石井啓太  「イオンビームスパッタによるSiCの作製」
  • 荻窪真也  「Au/SiO2/n-Si MOS構造における界面準位のDLTS解析」
  • 穂刈実紀夫 「イオンビームスパッタによるCuAlO2薄膜の作成」
  • 藤田真継  「陽極バッファ層としてAuを用いた有機EL素子の輝度-電流-電 圧特性」

在学生の研究テーマ

  • D2 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」
  • D2 林健一 「 La1-xAxMnOz(A=Ca,Sr,Ba)薄膜の作製と電気伝導に関す る研 究」
  • M1 岡田健見 「SiO/GeO交互蒸着によるGe微結晶の生成と可視発光」
  • M1 岸野 賢悟 「ケルビンプローブ法によるITO/有機物、有機物/有機物 界面 の仕事関数変化」
  • M1 鈴木 正彰 「ポリイミドLB膜の熱分解によるSiCの成長」

進路

(株)ローム,本塾理工学研究科修士課程基礎理工学専攻進学


Dept. Applied Physics and Physico-Informatics