博士（工学）石井宏辰 学位論文題名
Characterization ofm ― VCompound Semiconducter Interfaces byX −ray Photoelectron Spectroscopy
（光電子分光法によるm ―V 族化合物半導体界面の評価）
学位論文内容の要旨
GaAs、InPに 代 表 さ れ るm−V族 化 合 物 半 導 体 は 、Siに 比 べ い く っ か の 優 れた特徴を有する。その結果、（i）デパイスの高速化、（2）高集積化、（3）光電子集積回 路の 実現 、（4） 宇宙 で の使 用に 耐え る、 な どの 点でSi集 積 回路 では 実現できないもの を可能とし、さらに将来 の発展が期待されている。
多 く の半 導体 デパ イ スは 、本 質的 に界 面 構造 を有 し、 かっ 、 界面 の物 性が デ バイ ス の 電 気 的特 性を 支配 し てい る場 合が 多い 。 将来 のデ バイ スの 超 微細 化は 、デ バ イス 構 造 に 占 める 界面 、表 面 の割 合を 現在 より も 増大 させ るこ とが 予 想さ れる 。こ の こと か ら も 、 界面 の物 性の 本 質を 理解 する こと は 一層 重要 とな ると 考 えら れる 。し か しな が ら 、 半 導体 界面 の性 質 に重 大な 影響 を与 え る界 面準 位に っい て は、 その 成因 す ら十 分 に 理 解 され てお らず 、 界面 準位 の発 生を 工 学的 に抑 制す るこ と や、 その 性質 を 制御 する こと は、 多 くの 新デ パイ ス 製作 のう えで 、最大の技術的課 題のひとっとナょってい る。
本 研 究は 、こ のよ う な背 景の もと で、 化 合物 半導 体デ バイ ス の基 本的 構造 要 素で あ る 、 代 表 的 な 、I−S(絶 縁 体 一 半 導 体 ） 界 面 、M―S（ 金 属 ― 半 導 体 ） 界 面 、 お よ びSーS(半 導 体 一 半 導 体 ） 界 面 を 作 製 し 、 光 電 子 分 光 法 に よ る 界 面 物 性 の 評 価 を お こ な っ たも ので ある 。 光電 子分 光法 は、 固 体表 面の 電子 状態 お よび 化学 状態 を 評価 す る 上 で たい へん 優れ た 手法 であ り、 しか も 、真 空中 で非 破壊 的 に測 定が 行わ れ るこ
とから、界面形成時の「その場観察」が可能であるという利点を有する。本論文では、
光電 子分光法による評価に基づき、それぞれの界面の物性を本質的に支配している原 因に ついて考察するとともに、また、それぞれの代表的な界面の性質を工学的に制御 することを試みている。
次に、本論文の各章の概要は、以下の通りである。
第1章は、序論である。化合物半導体の界面に関する研究をデバイス応用と学問 的な 立場から簡潔にまとめ、そのなかにおける本研究の位置を明らかにしている。さ らに、各章の構成を述べている。
第2章では、半導体界面構造の基本的な物理を述べている。 ここでは、 統ー DIGS (Disorder Induced Gap State)モデルを含めて、これまでに主張されている 界 面 準 位 の 成 因 に 関 す る 代 表 的 モ デ ル に っ い て ま と め て あ る 。 第3章は、光電子分光法の手法と、本研究で用いた装置にっいてまとめたもので ある 。さらに、過去に報告されている光電子分光法をもちいてなされた半導体界面の 評価結果にっいても言及している。
第4章は 、最 近注 目さ れて いるGaAsの 化学 的表 面処理技法にっいて、本研究 で行 った実験的検討結果をまとめたものである。まず、表面処理を施す前の表面であ るMBE成 長GaAs清 浄 面 、 化 学 エ ッ チ ン グ さ れ たGaAs表 面 、 イ オ ン エ ッ チ ン グ され たGaAs表面 にっ いて、表面の組成およ び表面フェルミ準位のピンニングの 程 度を 明 かに した 。次 にGaAsの表面ピンニン グを緩和する方法として提案された 光化 学酸化、気栢HC1処理、硫化 物処理等を施し、これらの処理による表面組成、
表面 フェルミ準位のピンニングの程度の変化を、光電子分光法および表面電流輸送法 を用 いて評価した。その結果、気椙HCI処理を施すことによって、表面フェルミ準 位 のピ ン ニン グが 緩和 されることが明らかに された。また、これらの結果と、PL
（フ ォトルミネッセンス）強度の関係を検討し、それぞれの表面の表面フェルミ準位 の 位 置 が 、 統 一DIGSモ デ ル の 立 場 か ら 矛 盾 な く 説 明 で き る こ と を 示 し た 。 第5章 で は 、 代 表 的 なI−S界 面 と し て 、 実 用 的 なMISFETへ の 応 用 の 可 能 性 が 高 いInP陽 極 酸 化 膜 に っ いて 評 価し た結 果を 述べ てい るoInP陽 極酸 化膜 の 化学 的組成を検討する基礎データとして、種々のP化合物におけるP原子の化学シフ トが、第二近接原子まで考慮した局所電気陰性度により，定量的に説明できることを示 し た。 そ の結 果，InP陽極 酸化 膜は ，Ir1203を 主成 分とする外部層とIn（P03）3 を 主成 分 とす る内 部層 の2層構造となっていることがわかった。さらに、InP陽極 酸化 膜の外部層はMIS特性を悪化 させるが、内部層の電気的特性は優れていること
を 明 か に し た 。 そ こ で 、InP陽 極 酸 化 膜 の 内 部 眉 を 界 面制 御層 とし た光CVD− S i02／ 陽 極 酸 化 膜 ／InP構造 を 作製 した 結果 、低 界面 準位 密度 のMIS構造 が形 成できた。また、陽極酸化の条件を変化させることにより、酸化膜の組成制御を行い、
MIS構 造 の 最 適 化 を 試 み た 。さ らに 、DIGSモ デル にお いて 界 面準 位の 成因 とさ れる界面乱れ(disorder）層と関係があると考えられる界面組成遷移層が検出された。
第6章では、 本研究で行ったM−S界面に関する実験的検討をまとめて いる。代 表 的 なM−S界 面 と し て 、Al、Mg、Auナ ょ ど の 金 属 と 、MBE成 長GaAs清 浄 表 面 、 化 学 エ ッ チ ン グ さ れ たGaAs表 面 、 イ オ ン エ ッ チン グ され たGaAs表 面、
硫化 物処 理さ れたGaAs表面の 間に形成される界面にっいて、 その界面の構造と GaAs表面 フェ ルミ 準位 位置 の変 化 を光 電子 分光 法で評価 した。まず、照射X線に よる光起電カがフェルミ準位位置測定に及ばす影響を明らかにした。次に、光電子分 光法 、IーV(電 流ー 電圧 ）法 、C−V(容 量一 電圧 ）法 によ る障 壁高 さと 、界 面の 構造 ・組 成と の関 連を 調ベ、 そのふるまいが、界面層の存在を考慮したDIGSモデ ルでよく説明できることを示した。
第7章では、 本研究で行ったSーS界面に関する実験的検討をまとめ ている。
代 表 的 な へ テ ロ 接 合 界 面 で あ るGaAs／AIAsヘ テ ロ 界 面 の 価 電 子 帯 不 連 続 量 AEvを 光電 子分 光法 によ って 評価 した 。そ の結 果、 以前 より 報 告の あっ たAEvの 成長順序依存性が、単に半導体表面のバンドの曲がりに起因する見かけ上のものであ る こ と を 明 ら か に し た 。 AEvの 値は 、そ れぞ れ0．40eVと 測 定さ れ、 これ は、
電 荷 中 性 準 位 を 一 致 さ せ る こ と に よ り 得 ら れ る 理 論 値 に 近 い 。 第8章は、結言侖である。
学位論文審査の要旨 主査 教授 長谷川英機 副 査 教 授 田 頭 博 昭 副 査 教 授 福 井 孝 志 副 査 教 授 澤 田 孝 幸
学位 論文 題名
Characterization ofm−VCompound Semiconductor Interfaces by Xーray Photoelectron Spectroscopy
（ 光 電 子 分 光 法 に よ るm―V族 化 合 物 半 導 体 界 面 の 評 価 ）
半導体デバイスは、半導体が形成する界面近傍で生ずる物理現象を動作原理として おり、界面の物性が、デバイスの電気的機能・性能を決定する。しかも、デバイスは 超微細化の動向をたどっており、表面・界面の重要性が、ますます増大しつっある。
m―V族化合物半導体は、電子速度が大きい、半絶縁性結晶基板が得られる、混晶に より物性が広範囲かっ精密に制御できる、ヘテロ構造や量子井戸構造が実現できる、
直接遷移による発光・受光 機能が実現できるなどの利点を持ち、これらによりSiデ バイスでは得られない機能・性能を持つ電子デバイスや光デバイスが実現できる。し かし、化合物半導体の界面の物性は学問的によく理解されておらず、またそれを工学 的制御することは、十分に 達成されていない。
本研究は、このような背景のもとで、化合物半導体デパイスの基本的構成要素であ る 、 表 面 、I―S(絶 縁 体 一 半導 体） 界面 、MーS(金 属一 半導 体） 界面 、お よびS
―S（半導体一半導体）界面を形成し、光電子分光法により界面物性を評価すると共 に、これに基づき界面の性質を工学的に制御することを試みたものである。本論文は 8章からなり、各章の概要は、以下の通りである。
第1章は 、序 論で あり 、 本論 文の 背景 ・目 的と 意義および構成を述べている。
第2章は 、本 論文 の基 礎 とな る「 統‑DIGS(Disorder Induced Gap State)モデ ル」を含めて、これまでに発表されている界面に関する代表的なモデルにっいて要約 して述べている。
第3章は、本論文の主要な実験手法である光電子分光法 の概要と、本研究で用い た装置にっいてまとめている。
第4章は 、表 面処 理に よるGaAs表 面の 改質 に関 する検討結果を述べている。ま ず 、GaAsのMBE成 長 清 浄 面 、化 学エ ッチ 表面 、イ オン エッ チ表 面に っい て、 表 面の組成および表面フェルミ準位のピンニングの位置を明かにしている。次に光化学 酸化、気相HC1処理、硫化物処理後の表面組成および表面 フェルミ準位のピンニン グの位置を、光電子分光法、表面電流輸送法、およびフォトルミネセンス法を用いて 評価・検討している。その結 果、気相HC1処理のみが、表 面フェルミ準位のピンニ ン グを 緩和 する こと 、および実験結果す べてが「統一DIGSモデル」の立場から矛 盾なく説明できることを明らかにしている。
第5章 は 、I一S界 面 と し て 、 実 用 的 なMISFETへ の 応 用 の 可 能 性 が 高 いIn Pと陽極酸化膜の界面にっいて検討した結果を述べている。まず、種々のP化合物の P原子の内殻準位の化学シフトが、第二近接原子まで考慮した局所的電気陰性度によ り定量的に説明できることを明らかにしている。っいで、陽極酸化膜は、I 11203を主 成分とする外部層とIn（P03）3を主成分とする内部層の2層構造となること、およ び外部層は電気的特性を劣化させるが、内部層は優れていることを明かにしている。
さ ら に 、 光CVD−SiN／ 陽 極 酸 化 内 部 層 ／InP構 造 で は 、 低 界 面 準 位 密 度 が 実 現されることを示している。また、陽極酸化の条件を変化させることにより、酸化膜 の 組 成 制 御 が 可 能 で あ る こ と を 示 し 、MIS構 造 の 最 適 化 を 試 み て い る 。 第6章 は 、GaAsのM−S界 面 に 関 す る 結 果 に っ い て 述 べ て い る 。A1、Mg、 Auなど の金 属と 、MBE成 長清 浄 表面 、化 学エ ッチ 表面、イオンエッチ表面、硫化 物処理表面の間に形成される界面にっいて、界面の構造・組成を明らかにしている。
次に、光電子分光法、電流一電圧法、容量―電圧法によるショットキ障壁高さと、界 面の構造・組成との関連を調べ、障壁高さのふるまいが、界面層の存在を考慮した「
DIGSモデル」でよく説明できることを示している。
第7章 は 、S−S界 面 に 関 す る 検 討 結 果 に っ い て 述 べ て い るoGaAs／AIAs ヘテロ界面の価電子帯不連続 量AEvを、光電子分光法によ って評価し、以前より報 告のあったAEvの成長順序依存性が、単に半導体表面のバ ンドの曲がりに起因する 見かけ上のものであることを明らかにしている。
第8章 は 、 結 諭 で あ り 、 各 章 で 得 ら れ た 結 果 を 要 約 し て 述 べ て い る 。 これを要するに、本論文は、化合物半導体界面の光電子分光法による評価、および 界面の工学的制御に関し、いくっかの有益な新知見を得ており、半導体工学の進歩に 貢献するところ大なるものがある。
よっ て、 著者 は、 博士 （工 学） の学 位を 授与 され る資 格 ある もの と認 める。
