Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

反射高速電子回折 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面電気伝導 / エピタクシー / 半導体表面 / 金属超薄膜

我々はSi上の金属のエピタクシー過程について、RHEED(反射高速電子回折)、TRAXS(全反射角X線分光)、表面電気伝導の測定等の方法で構造、組成、物性の研究を行ってきた。RHEEDは逆格子を通しての構造研究に有力であり、STM(走査型トンネル顕微鏡)は実格子の研究に有力である。そこで我々は既設のRHEED-TRAXS装置にSTMを結合させ、上記現象の解明を試みることを目的とした。
平成6年度にはSTM用の観測ヘッドを購入し、探針を試料表面に安全に近づける機構や走査機構の作製を行った。平成7年度にはSTM用の低圧電源、画像処理システム、探針走査回路等を購入し、STMの像が撮影出来るように完成させた。これを既設のRHEED-TRAXS用の超高真空装置と結合させた。また、真空を破ること無く、RHEEDで観察した試料をSTM装置内に移動させるための機構も作製し、RHEEDとSTMの同時観察が出来るような装置として完成させた。
この装置を用いてSi(111)表面上の7×7構造やInを蒸着したときに形成される表面構造の観察を行った。7×7構造の場合には、明瞭なRHEEDパターンを示す場合でも、これをSTMで観察すると、部分的には7×7構造の見えない部分が斑模様に存在する場合が多かった。これは冷却中に7×7構造の表面に残留ガスが部分的に吸着したためと思われる。7×7構造の表面にガスが吸着しても、7×7構造を破壊しなければRHEEDパターンは明瞭なままであるが、STMは表面に吸着したガスが検出され、表面に極めて敏感であることがわかる。次に、Si(111)表面にInを蒸着すると、1×1、4×1、√<31>×√<31>、√<3>×√<3>などの表面構造が形成されることをRHEEDで確認した。この表面をSTMで詳しく観察・解析し、各々の構造の原子配列構造模型を提唱した。またこれらの表面の電気伝導の測定も行った。

反射高速電子回折 / 表面電気伝導 / エピタクシー / 半導体表面 / 金属超薄膜 / 反射高速電子回折(RHEED)

平成5〜6年度において、低温用反射高速電子回析(RHEED)・表面原子層物性測定のための試料ホルダーと各種の測定装置を作製し、これを既設の超高真空RHEED装置に取り付けた。これを用いて、エピタクシー過程における、RHEED強度振動、表面元素の深さ分布、表面電気伝導などの測定を行った。
エピタクシャル成長を支配する重要な因子は、下地表面の温度、蒸着の速度、原子の供給方法などである。そこでSi(lll)上にAgやCuを蒸着する際に、下地の表面温度や蒸着速度を系統的に変えて実験を行なった。その結果、(1)表面温度が160Kの低温にすると、意外な事には、室温の場合よりも多くのRHEED強度振動のピーク(20〜46ピーク)が出現した。(2)毎分20ML以上の大きな成長速度にすると、多数の振動ピークが現れることを初めて見い出した。(3)以上の実験結果は、表面の温度や蒸着速度の変化が原子の拡散長に変化を生ずるものと考えられ、これを考慮した新しい成長模型を提唱した。
Si(lll)-√<3>×√<3>-Ag構造上にAuを蒸着したときに見出された「置換原子成長」や「浮遊原子成長」などの奇妙な現象についてその温度効果を研究した。その結果、この様な成長モードで形成された構造は約300℃以下では安定であった。しかし、400℃以上では不安定であり、AuとAgは合金化することが判明し、従来のAu-Ag合金の状態図とも矛盾しなかった。このような結果は、Au-Ag合金の安定性について再検討を迫る新しい実験結果であり、興味深い新しい問題提起であると考えられる。
またSi(lll)上のAg成長過程においては、√<21>×√<21>-Agおよび6×6-Ag構造が現れることを発見し、これらの構造と表面電気伝導が密接に関連していることを初めて実証した。

走査電子顕微鏡 / エピタクシー / 表面構造 / 半導体表面 / 反射高速電子回折(RHEED) / 走査電子顕徴鏡

平成4年度には「結晶試料の表面状態検出用の小型真空槽」を作製し、これを超高真空走査電子顕微鏡(UHV-SEM)と連結した。これにより試料表面の構造は反射高速電子回折(RHEED)により、表面の元素分析は全反射角X線分光(TRAXS)により前もって詳しく調べ、その試料をUHV-SEM本体に移送し、そのまま真空を破ることなく、SEM観察ができる装置として完成させた。
次に、Si(111)上にAu、Ag、Bi、Ga、Inなどを蒸着し、これらのエピタクシー過程における表面構造や表面組成を詳しく調べ、同時にそれらの試料表面をSEMにより観察した。Si(111)-7×7表面上にBiを1ML(原子層)吸着させた表面には、3種類の明るさのコントラストB(β-√<3>×√<3>)、M(α-√<3>×√<3>)、D(7×7)が観察された。コントラストBやMは下地表面のステップや7×7構造の逆位相境界に沿って現れることも明瞭に観察された。
平成5年度は、SEM内で、TRAXSによるナノ領域の元素分析も行った。研究を行った試料はIn/Si(111)-7×7、In/Si(111)-4×1-In、In/Si(111)-√<3>×√<3>-Ga、Ga/Si(111)-7×7、Ga/Si(111)-√<3>×√<3>-Ag、Ag/Si(111)-√<3>×√<3>-Ga、などである。
特に、Si(111)-√<3>×√<3>-Ga上に、3原子層のInを蒸着した場合に形成される(In_2Ga)In構造は興味深いSEM像を示した。この構造は1つのテラス内では全面的に広がった非常に平胆な構造であることが明らかにされた。さらに、Inを多く蒸着すると、1つのテラス内には殆どステップを作ること無くInが1原子層づつ増加し、(In_2Ga)In_n(n=1,2,3...)と表現される様な興味深い構造になることを観察した。以上の様にUHV-SEMにより多くの興味ある有益な成果が得られた。

【研究分担者】
霜越文夫 (霜越丈夫)	東京大学	大学院・理学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
長谷川修司	東京大学	大学院・理学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
霜越文夫	東京大学	大学院・理学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
長谷川修司	東京大学	大学院・理学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
霜越文夫	東京大学	大学院・理学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
長谷川修司	東京大学	大学院・理学系研究科	助手	(Kakenデータベース)