研究課題別研究評価

研究課題名：

界面を光電子分光法で観る

研究者名：

小林　光

研究の狙い：

　半導体の界面状態を高感度で観測する分光学的手法を開発する。さらに、新規な界面化合物や界面化学反応を用いて半導体の界面物性を高度に制御する。界面物性、薄膜物性の制御によって半導体デバイスの高性能化を行い、さらに新規構造をもつ半導体デバイスの作成技術を開発する。

研究結果及び自己評価：

研究結果
1)	"バイアス電圧印加時のXPS測定"という新規な方法を開発して、これを用いて半導体のバンドギャップ内の界面準位のエネルギー分布を分光学的に世界で初めて観測することに成功した。この方法には、ⅰ)電気的測定から界面準位を求めることが不可能なトンネル電流が流れる極薄酸化膜に適用できる、ⅱ)等価回路など種々の仮定を用いないで、直接的に界面準位を求めることができる、ⅲ)バンドギャップ内の全エネルギー領域の界面準位を求めることができるといった利点がある。また、この方法では1/10,000モノレーヤー以下の低準位密度の界面準位の観測が可能である。
2)	Si-CN結合という新規の界面化学結合を形成することによって界面準位密度が大幅に低減することがわかった。さらに、Si-CN結合は放射線照射や700℃の加熱処理に対しても安定なことがわかった。
3)	Si-CN結合を形成し界面準位密度を低減することによって、＜透明電極(ITO)／SiO₂／Si＞MOS構造という単純な構造をもつ太陽電池としては、世界で最も高い16.2％というエネルギー変換効率を得ることに成功した。
4)	白金の触媒作用を用いることによってSiを酸化して300℃の低温で10nm程度までのSiO₂膜をもつMOS構造を作成する新規な技術を開発した。この方法で作成したSiO₂膜は通常の熱酸化膜より界面準位密度が低いことがわかった。
5)	低速電子衝撃によって生成した窒素プラズマを用いてSiO2膜を窒化して500℃以下の低温でシリコンオキシナイトライド膜を形成する新規な方法を開発した。

評価
1)	新規方法を開発して界面準位を分光学的に世界で初めて観測した研究は独創的で、従来の電気的測定の種々の欠点を克服できている点で応用的な価値も高い。しかし、一つの界面準位スペクトルの測定に1日程度の時間を必要とする欠点がある。但し、全界面準位密度を求めるだけであれば、30分程度で十分である。
2)	界面準位の低減は従来Si-H結合の形成によって行われていたが、Si-CN結合という新規な化学結合によって界面準位を低減した例はなく独創的である。さらに、放射線照射や加熱処理に対しても安定であるといったSi-H結合にない利点もあり、太陽電池、LSIのMOSデバイス、さらに薄膜トランジスター（TFT）など広く半導体デバイスへの実用化が大いに期待できる。また、シリコン以外の半導体材料への応用も期待できる。
3)	界面準位を観測する新規方法を開発し、これを用いて界面準位の消滅法を開発し、その応用によって太陽電池という半導体デバイスの電気的特性を向上させ単純構造の太陽電池としては世界最高の16.2％のエネルギー変換効率を得るという基礎から応用までの一連の研究を独自の方向で成功させたことは評価できる。ただし、電力用太陽電池への実用化には、更なる高効率化（18％程度）が必要である。また、さらに低コストなアモルファスシリコンなど薄膜太陽電池への応用も期待される。
4)	10nm程度のSiO2膜を300℃という低温で形成したのは初めてであり評価できる。絶縁耐圧性などの電気的特性の評価と向上が今後の課題である。
5)	従来の方法より10倍以上の窒素を含有するオキシナイトライド薄膜を従来（1000℃以上）よりもかなり低温（500℃以下）で作成する方法を開発したことは評価できる。界面準位、絶縁耐圧性などの電気的特性の評価と向上が今後の課題である。

領域総括の見解：

　バイアス電圧を加えてＸ線光電子スペクトルを測定するという、独創的な方法で半導体界面準位を調べることに成功した。その方法をも用い、半導体界面の制御をいくつかの半導体界面系で行い新しい成果を得ている。

主な論文等：

1.	H. Kobayashi, A. Asano, S. Asada, Y. Yamashita, K. Yoneda, and Y. Todokoro, "Studies on interface states at ultrathin SiO2/Si(100) interfaces by means of x-ray photoelectron spectroscopy under biases and their passivation by the cyanide treatment" J. Appl. Phys. 83, 2098-2103(1998).
2.	H. Kobayashi, S. Tachibana, K. Yamanaka, Y. Nakato, and K. Yoneda, "Improvement　of 〈indium-tin-oxide/silicon oxide/n-Si〉 junction solar cell characteristics by cyanide treatment" J. Appl. Phys. 81, 7630-7634 (1997).
3.	Y. Yamashita, A. Asano, Y. Nishioka, and H. Kobayashi, "Dependence of interface states in the Si band-gap on oxide atomic density and interfacial roughness" Phys. Rev. B, in press.
4.	H. Kobayashi, T. Yuasa, K. Yamashita, K. Yoneda, and Y. Todokoro, "Mechanism of platinum-enhanced oxidation of silicon at low temperatures" J. Chem. Phys. 109, 4997-5001 (1998).
5.	H. Kobayashi, T. Mizokuro, Y. Nakato, K. Yoneda, and Y. Todokoro, "Nitridation of silicon oxide layers by nitrogen plasma generated by low energy electron impact" Appl. Phys. Lett. 71, 1978-1980 (1997).
6.	T. Kubota, Y. Nakato, K. Yoneda, and H. Kobayashi, "Platinum-enhanced　oxidation of GaAs" Phys. Rev. B 56, 7428-7434 (1997).

全他23報

(特許、受賞、招待講演等)：

特許：

国内2件、　外国2件

　特開平10-74753「半導体の製造装置の製造方法及びその製造装置」及び
その外国特許（米国、EC、韓国、台湾、シンガポール）
　特開平11-16900「半導体基板表面の絶縁膜の形成方法及びその形成装　置」　及びその外国特許（米国、EC、韓国、台湾、シンガポール）

招待講演：

国際学会4件、国内学会4件

国際学会
1.	The First Conference on the Formation, Evaluation, and Reliability of Ultrathin Silicon Oxide layers, "Spectroscopic and theoretical studies of interface states at ultrathin oxide/Si interfaces: XPS measurements under biases and density functional theory calculations" Japan (Shizuoka) 1998, 1. 23-24.
2.	The 1997 Applied Physics Seminar, "Studies of SiO2/Si structure by photoelectron spectroscopy" U.S.A. (Ann Arbor) 1997.10.16.
3.	The Advancing Frontiers of Condensed Matter Science, "Determination ofinterface states in the forbidden gap by XPS measurements under bias" U.S.A. (Philadelphia) 1997.10.16.
4.	Nano-Scale Structures and Properties at Interfaces, "New method for observation of interface states in the semiconductor band gap: XPS measurements under biases" Japan (Sendai) 1997.1.21-22.
国内学会
1.	低次元構造体の物性研究会"新しい界面準位の測定方法と界面制御による界面準位の低減：バイアス電圧印加時のXPS測定"東北、1998.6.5
2.	日本物理学会1997年秋の分科会 "XPSを用いる界面準位の観測方法とその理論計算"神戸、1997.10.5-8.
3.	第7回関西画像科学研究会"バイアス電圧印加時のXPS測定によるバンドギャップ内の界面準位の観測と光電変換素子への応用"大阪、1997.12.19.
4.	九州物理化学研究会"光電子分光法によるSi/SiO2界面の界面準位と界面化学反応の研究"福岡、1996.12.12.

This page updated on September 1, 1999

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