JP2000256093A - Silicon material having clathrate crystal structure and its production - Google Patents

Silicon material having clathrate crystal structure and its production

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JP2000256093A
JP2000256093A JP11063851A JP6385199A JP2000256093A JP 2000256093 A JP2000256093 A JP 2000256093A JP 11063851 A JP11063851 A JP 11063851A JP 6385199 A JP6385199 A JP 6385199A JP 2000256093 A JP2000256093 A JP 2000256093A
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silicon
crystal
clathrate
crystal structure
film
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JP11063851A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Muneto
伸治 宗藤
Koji Moriguchi
晃治 森口
Mitsuharu Yonemura
光治 米村
Tatsuo Sawazaki
立雄 沢崎
Shigeki Shibagaki
茂樹 柴垣
Yoshinori Shirakawa
義徳 白川
Naoki Ikeda
直紀 池田
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a clathrate crystal consisting of only silicon atoms without containing other elements and to provide a method for its production. SOLUTION: This silicon material having a composite crystal structure consists of a mixture of Si46 single crystal lattices as inclusion lattices of silicon atoms and Si136 single crystal lattices as clathrate lattices. The silicon material is produced by forming an amorphous silicon layer on a silicon clathrate compd. crystal and heating to epitaxially grow the layer. Or, the silicon material is produced by forming amorphous silicon by ion beam sputtering at <=450 deg.C on a compd. clathrate crystal expressed by BaxRySi46-y (wherein x is 1 to 8, y is 1 to 6, and R is Ag or Au) and heating the amorphous silicon in vacuum or inert atmosphere at a temp. over 450 deg.C and <=1300 deg.C to epitaxially grow.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子回路や集積回
路など半導体素子が形成される素材などに用いられるシ
リコン材料に関する。
The present invention relates to a silicon material used as a material for forming a semiconductor element such as an electronic circuit or an integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在種々の半導体素子は、ゲルマニウ
ム、シリコン、ガリウム砒素などの材料を用いて作られ
る。これらのうち特にシリコンの単結晶は、安定性、均
一性にすぐれ、動作温度範囲が広く、電気特性が良好
で、価格も許容範囲にあるといった点から、もっとも大
量に作られ使用されており、また技術的にも十分に検討
された材料でもある。しかしながら通常のシリコン単結
晶の半導体としてのバンドギャップは約1.1eVであり、
このバンドギャップの値によって規制されるため、用途
によっては適用に限界がある。たとえば、信号の高速化
高密度化に対応して、発光素子、半導体レーザなどの需
要が増していくと予想されるが、これらの光デバイスに
対しシリコン結晶のバンドギャップでは低くて適用が困
難である。
2. Description of the Related Art Currently, various semiconductor devices are manufactured using materials such as germanium, silicon, and gallium arsenide. Among these, silicon single crystals are especially the most widely produced and used, because of their excellent stability, uniformity, wide operating temperature range, good electrical characteristics, and reasonable prices. It is also a material that has been thoroughly studied technically. However, the band gap of a normal silicon single crystal semiconductor is about 1.1 eV,
The application is limited depending on the application because it is regulated by the value of the band gap. For example, demand for light emitting devices and semiconductor lasers is expected to increase in response to higher signal speeds and higher density. However, the band gap of silicon crystal is low for these optical devices, making it difficult to apply them. is there.

【0003】通常のシリコン単結晶あるいは多結晶はダ
イヤモンド型結晶構造であり、バンドギャップの値はこ
の結晶構造に由来している。結晶構造を変えればバンド
ギャップの値も変わるが、現在知られているダイヤモン
ド型以外のシリコンの結晶構造としては、アモルファス
とクラスレートがある。アモルファスシリコンは、比較
的低温のスパッタリングなどで製造可能であるが、加熱
に対しきわめて不安定であり、従来のシリコン単結晶な
どで培われてきたデバイス製造技術を適用することはで
きない。
An ordinary silicon single crystal or polycrystal has a diamond type crystal structure, and the value of the band gap is derived from this crystal structure. If the crystal structure is changed, the value of the band gap also changes. However, currently known crystal structures of silicon other than the diamond type include amorphous and clathrate. Amorphous silicon can be manufactured by sputtering at a relatively low temperature, but is extremely unstable to heating, so that the device manufacturing technology cultivated with conventional silicon single crystals cannot be applied.

【0004】クラスレート化合物とは、一般には包接化
合物といわれるもので、2種の分子が適当な条件下でと
もに結晶化して、一方の分子が立体的網状構造を構成
し、もう一方の分子がその網目の空間に入り込んだ形と
なるものである。立体的網状構造を包接格子というが、
包接格子を作る分子と中に入る分子との間には、強い分
子間力は作用せず、単に空間の大きさと中に入る分子の
大きさとが適当であるかどうかが、生成の重要な条件に
なるとされている。このため、二つの分子の間には一定
の比率が示されないこともある。
[0004] A clathrate compound is generally called an inclusion compound. When two kinds of molecules crystallize together under appropriate conditions, one molecule forms a three-dimensional network structure and the other molecule forms a three-dimensional network structure. Is in the shape of the mesh. The three-dimensional network structure is called the inclusion grid,
Strong intermolecular forces do not act between the molecules that make up the inclusion lattice and the molecules that go into it, and it is important that the size of the space and the size of the molecules that go into it are just appropriate. It is supposed to be a condition. For this reason, a certain ratio may not be shown between the two molecules.

【0005】シリコンクラスレート化合物として、アル
カリ金属原子が中に入り込んだ、包接格子からなる結晶
構造のものが存在することは、以前から知られていた。
ところが最近、Ba6Na2Si46で表される組成のシリ
コンクラストレート化合物に超電導現象のあることが見
出され(H.kawaji、他:PHYSICAL REVIEW LETTER,74(19
95),p.1427))、にわかに注目されるようになった。さ
らにこの場合、第一原理計算により推定された結果で
は、包接格子からなるシリコンの結晶が製造されたとし
たら、そのバンドギャップがダイヤモンド型結晶構造の
シリコンに対し約0.7eVも高いことがわかってきた。そ
の上、この包接格子のシリコン結晶は、エネルギー的に
ダイヤモンド型の結晶と同程度の安定性を有しているこ
とも推定された。
It has long been known that silicon clathrate compounds have a crystal structure consisting of an inclusion lattice in which an alkali metal atom has entered.
However, it has recently been found that a silicon clathrate compound having a composition represented by Ba 6 Na 2 Si 46 has a superconducting phenomenon (H. Kawaji, et al .: PHYSICAL REVIEW LETTER, 74 (19)
95), p.1427)). Furthermore, in this case, the results estimated by the first principle calculation show that, if silicon crystals comprising an inclusion lattice were produced, the band gap was about 0.7 eV higher than that of silicon having a diamond-type crystal structure. Was. In addition, it was presumed that the silicon crystal of this inclusion lattice had the same level of stability as the diamond type crystal in terms of energy.

【0006】このシリコンクラスレート化合物結晶には
二つの結晶構造がある。一つは、すべてがSi原子の5
員環の面からなる12面体のSi20包接格子と、5員環
の面が12ヶと6員環の面が2ヶからなる14面体のS
24包接格子とが面を共有して連結した、Si46が一つ
の単位格子を構成する。もう一つは、Si20包接格子
と、12ヶの五員環と4ヶの六員環とからなる16面体
のSi28包接格子とが面を共有して連結した、Si136
が一つの単位格子を構成するものものである。図1に包
接原子を含まないSi46の結晶構造の一部を、図2にS
136の結晶構造の一部をそれぞれ示す。
This silicon clathrate compound crystal has two crystal structures. One is that all 5
A dodecahedral Si 20 inclusion lattice composed of membered ring surfaces, and a tetrahedral S surface composed of 12 five-membered ring surfaces and two six-membered ring surfaces
Si 46 , which is connected to the i 24 clathrate lattice by sharing a plane, forms one unit cell. The other is Si 136 in which a Si 20 clathrate lattice and a hexahedral Si 28 clathrate lattice composed of 12 five-membered rings and four six-membered rings are connected in a shared manner.
Constitute one unit cell. FIG. 1 shows a part of the crystal structure of Si 46 containing no inclusion atoms, and FIG.
shows part of the crystal structure of i 136 respectively.

【0007】包接格子の中にNa、K、Rbなどアルカ
リ金属原子を内包するシリコンクラスレート化合物結晶
は、たとえばNa8Si46またはNaxSi136(1.5<x
<24)のような形で表される結晶の場合、NaとSiと
を混合し加熱してNaSiを作製し、これを真空または
不活性雰囲気の減圧下で加熱して、Naを除去していく
ことによって得られる。これに対し、アルカリ金属以外
の原子を内包させることが試みられ、前述のBa6Na2
Si46が合成された(S.Yamanaka、他:FULLERENE SCIE
NCE & TECHNOLOGY,3(1995),21)。この場合、NaSi
とBaSi2とを、それぞれの原料を混合し加熱溶融し
て合成後、所要量配合し加熱して固溶体とし、これを50
0℃にて真空加熱してNaを排除して作製される。
A silicon clathrate compound crystal containing an alkali metal atom such as Na, K, or Rb in the clathrate lattice is, for example, Na 8 Si 46 or Na x Si 136 (1.5 <x
In the case of the crystal represented by <24), Na and Si are mixed and heated to produce NaSi, which is heated under reduced pressure in a vacuum or an inert atmosphere to remove Na. It is obtained by going. On the other hand, attempts have been made to include atoms other than alkali metals, and the aforementioned Ba 6 Na 2
Si 46 was synthesized (S. Yamanaka, et al .: FULLERENE SCIE
NCE & TECHNOLOGY, 3 (1995), 21). In this case, NaSi
And BaSi 2 were mixed by mixing the respective raw materials, and heated and melted. After synthesizing, a required amount was blended and heated to obtain a solid solution.
It is made by heating in vacuum at 0 ° C. to exclude Na.

【0008】また特開平9-183607号公報には、同様な製
造方法によるシリコンクラスレート化合物結晶の発明が
開示されている。これは、NaやKの他にLiまでも含
めたアルカリ金属元素をAとし、Baに加えてSrやC
aも含めたアルカリ土類金属元素をAeとして表したと
き、A2AeSi4の組成の固溶体を前駆体として製造
し、これを減圧下で加熱してアルカリ金属を除去するこ
とにより、AxAe6Si46(ただし0≦x≦2)のクラス
レート化合物結晶を得るというものである。この特開平
9-183607号公報には、得られたクラスレート化合物結晶
の電気伝導性が示され、組成により超電導体、半導体、
または金属の性質を示すとしている。半導体の特性を示
す場合、バンドギャップは0.2eVと比較的小さく、包接
格子からなるシリコンの結晶で期待される高いバンドギ
ャップは得られていない。これは、アルカリ金属の固溶
体を素材とし、そこからアルカリ金属を除去するという
製造法から、必然的にアルカリ金属がドープされた状態
となっているためと考えられる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-183607 discloses an invention of a silicon clathrate compound crystal by a similar manufacturing method. This is because, in addition to Na and K, the alkali metal element including even Li is A, and in addition to Ba, Sr and C
When the alkaline earth metal element including a is expressed as Ae, a solid solution having a composition of A 2 AeSi 4 is produced as a precursor, and this is heated under reduced pressure to remove the alkali metal, thereby obtaining A x Ae It is intended to obtain a clathrate compound crystal of 6 Si 46 (where 0 ≦ x ≦ 2). This Japanese patent
9-183607 discloses the electrical conductivity of the obtained clathrate compound crystal, and depending on the composition, a superconductor, a semiconductor,
Or it shows the properties of metal. In the case of semiconductor characteristics, the band gap is relatively small at 0.2 eV, and the high band gap expected from a silicon crystal comprising an inclusion lattice has not been obtained. It is considered that this is because the alkali metal is inevitably doped from the manufacturing method of using a solid solution of the alkali metal as a raw material and removing the alkali metal therefrom.

【0009】最近、このようなアルカリ金属を含む固溶
体を前駆体とするのではなく、イオン半径がNaとほぼ
同等のAgを用い、レーザーアブレーション法によりB
8AgySi46-yなる組成のシリコンのクラストレート
化合物結晶の薄膜が作製されている(山中:「量子効果
等の物理現象」第2回シンポジウム予稿集(1998年12月
21〜22日)、p.83)。得られた薄膜は、極低温域にて超
電導性を示すが、常温では通常のシリコン金属と同様な
電気特性を示すものであり、AgやBaなど金属元素を
その包接格子に内包している。
Recently, instead of using such a solid solution containing an alkali metal as a precursor, Ag having an ionic radius almost equal to that of Na is used, and a laser ablation method is used.
A thin film of a crust compound crystal of silicon having a composition of a 8 Ag y Si 46-y has been prepared (Yamanaka: Proceedings of the Second Symposium on “Physical Phenomena such as Quantum Effects” (December 1998)
21-22 days), p.83). The obtained thin film shows superconductivity in a cryogenic temperature range, but shows electrical properties similar to ordinary silicon metal at room temperature, and includes metal elements such as Ag and Ba in its inclusion lattice. .

【0010】このように、シリコンのクラスレート結晶
は、これまでのダイヤモンド型結晶構造のシリコン単結
晶とは異なった特性を持つ半導体素材として期待される
が、現在のところ、包接格子に他の元素を含んでいない
シリコンのみのクラスレート結晶は製造されていない。
As described above, a clathrate crystal of silicon is expected as a semiconductor material having characteristics different from those of a conventional silicon single crystal having a diamond-type crystal structure. No silicon-only clathrate crystal containing elements has been produced.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】半導体素材としての通
常のシリコン結晶は、バンドギャップの値が約1.1eVで
あるが、ダイヤモンド型結晶構造をクラスレート結晶構
造に変えることにより、そのバンドギャップを大きくで
き、光デバイス等への適用が容易となる。しかしこれま
でに作られたシリコンクラスレート化合物結晶は、通常
のシリコン結晶よりもバンドギャップが小さいものしか
得られていない。これはクラスレートの包接格子の中に
アルカリ金属元素を含むためである。本発明の目的は、
他の元素を含まないシリコン原子のみからなるクラスレ
ート結晶と、その製造方法の提供にある。
The ordinary silicon crystal as a semiconductor material has a band gap value of about 1.1 eV, but the band gap can be increased by changing the diamond type crystal structure to a clathrate crystal structure. It can be easily applied to optical devices and the like. However, the silicon clathrate compound crystals thus far produced have only a smaller band gap than ordinary silicon crystals. This is because the clathrate inclusion lattice contains an alkali metal element. The purpose of the present invention is
It is an object of the present invention to provide a clathrate crystal comprising only silicon atoms containing no other element and a method for producing the same.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、半導体素
材としてのシリコン結晶の、バンドギャップを大きくで
きる可能性のあるシリコンクラストレート結晶を、実際
の素子に活用できる材料とすべく種々検討をおこなっ
た。はじめに、他の元素を包接しないシリコンのみで構
成された、Si46またはSi136を単位格子とする結晶
について、分子動力学法と呼ばれるシミュレーション計
算をおこなった。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted various studies on silicon crystal as a semiconductor material, which has a possibility of increasing the band gap, as a material that can be used for actual devices. Was done. First, a simulation calculation called a molecular dynamics method was performed on a crystal composed of only silicon which does not include other elements and having Si 46 or Si 136 as a unit cell.

【0013】結晶を構成するSiの凝集エネルギーを求
めてみた結果、ダイヤモンド結晶構造の場合に比較し
て、それぞれSi46では約0.06eV、Si136では約0.04
eV大きいだけであった。一方、アモルファスシリコン
について同様に凝集エネルギーを推測してみると、ダイ
ヤモンド結晶構造の場合に比較し、0.3eV大きいことが
わかった。このことからは、クラスレート結晶構造はア
モルファスよりもエネルギー的に遙かに安定であり、ア
モルファスとクラスレート結晶とが相接して共存してい
るとき適度に加熱をおこなえば、アモルファスシリコン
はエピタキシャルにクラスレート結晶構造へ変換される
可能性があると推測された。そこで、すでにその製造方
法が知られているBa8AgySi46-yのクラスレート化
合物の薄層を基にして、アモルファスシリコンをクラス
レート結晶に変える方法を試みた。
As a result of obtaining the cohesion energy of Si constituting the crystal, as compared with the case of the diamond crystal structure, about 0.06 eV for Si 46 and about 0.04 eV for Si 136 , respectively.
It was only eV big. On the other hand, when the cohesive energy of amorphous silicon was similarly estimated, it was found that the cohesive energy was 0.3 eV larger than that of the diamond crystal structure. This indicates that the clathrate crystal structure is much more stable in terms of energy than the amorphous one. It was speculated that there is a possibility of conversion to a clathrate crystal structure. Therefore, an attempt was made to convert amorphous silicon into a clathrate crystal based on a thin layer of a clathrate compound of Ba 8 Ag y Si 46-y whose production method is already known.

【0014】アーク溶解法にて溶製したBa−Ag−S
i合金をターゲットとし、レーザーアブレーション法に
て、半導体基板に用いられるシリコンウェーハの上に薄
膜を形成させた。この場合、ターゲットとなる合金組成
を選定し、できるだけ高真空にして成膜をおこなえば、
Ba8AgySi46-yのシリコンクラスレート化合物の結
晶膜が得られることが確認できた。この膜の上にアモル
ファスシリコン層を低温度で成膜し、高温に加熱した結
果、Siのみからなる他元素を含まない、Si46および
Si136からなる多結晶のクラスレート結晶が得られる
ことが見出されたのである。このように、基になる種結
晶の結晶構造がSi46型のみであるにも関わらず、それ
から形成されるクラスレートシリコン結晶が、Si46
Si136との混合した結晶構造になる理由は明らかで
はない。しかし5員環に一部6員環が加わったSi46
とSi136とはその構造はきわめて類似しており、エピ
タキシャル成長の過程の成長核同士の相互作用により、
両者が混合した構造の方がより安定であるため、このよ
うな結果になったものと思われる。また、一旦形成され
たシリコンクラスレート結晶の上に、さらにアモルファ
スシリコン層を成膜し加熱すれば、そのシリコン層も同
様なシリコンクラスレート結晶となることも確かめられ
た。
Ba-Ag-S produced by the arc melting method
Using an i-alloy as a target, a thin film was formed on a silicon wafer used for a semiconductor substrate by a laser ablation method. In this case, if the target alloy composition is selected and the film is formed under the highest possible vacuum,
It was confirmed that a crystal film of a silicon clathrate compound of Ba 8 Ag y Si 46-y was obtained. As a result of forming an amorphous silicon layer on this film at a low temperature and heating it to a high temperature, it is possible to obtain a polycrystalline clathrate crystal of Si 46 and Si 136 which does not contain other elements consisting only of Si. It was found. As described above, the reason why the clathrate silicon crystal formed therefrom has a mixed crystal structure of Si 46 and Si 136 although the crystal structure of the base seed crystal is only the Si 46 type is apparent. is not. However, Si 46 in which a 6-membered ring is added to a 5-membered ring
And Si 136 have very similar structures, and due to the interaction between the growth nuclei during the epitaxial growth process,
This is probably because the mixed structure is more stable. It was also confirmed that if an amorphous silicon layer was further formed on the once formed silicon clathrate crystal and heated, the silicon layer would also be a similar silicon clathrate crystal.

【0015】以上のようにして、他元素を含まないシリ
コンのみのクラスレート結晶を得ることができた。そこ
で、この結晶を安定して得るための、種結晶膜となるク
ラスレート化合物膜を製造するレーザーアブレーション
のターゲット用合金の組成範囲、種結晶膜上へのアモル
ファスシリコンの成膜方法およびその条件、エピタキシ
ャル成長させるための加熱条件、等についてさらに種々
検討を行った。それらの結果に基づき、製造条件を明ら
かにして本発明を完成させた。本発明の要旨は次の通り
である。
As described above, a clathrate crystal containing only silicon and containing no other element was obtained. Therefore, in order to stably obtain this crystal, the composition range of a target alloy for laser ablation for producing a clathrate compound film to be a seed crystal film, a method of forming amorphous silicon on the seed crystal film and its conditions, The heating conditions for epitaxial growth were further studied. Based on these results, the manufacturing conditions were clarified to complete the present invention. The gist of the present invention is as follows.

【0016】(1) シリコン原子の包接格子であるSi20
とSi24とで構成されるSi46の単位結晶格子と、同じ
く包接格子であるSi20とSi28とで構成されるSi
136の単位結晶格子とが混在した、シリコン原子のみか
らなる複合結晶構造のシリコン材料。
(1) Si 20 which is an inclusion lattice of silicon atoms
A unit crystal lattice of Si 46 composed of Si and Si 24 and an Si lattice composed of Si 20 and Si 28 which are also inclusion lattices.
A silicon material with a composite crystal structure consisting of only silicon atoms and a mixture of 136 unit crystal lattices.

【0017】(2) シリコンのクラスレート結晶の上にア
モルファスシリコン層を形成させ、これを加熱してエピ
タキシャル成長させることを特徴とする上記(1)の複合
結晶構造のシリコン材料の製造方法。
(2) The method for producing a silicon material having a composite crystal structure according to the above (1), wherein an amorphous silicon layer is formed on a silicon clathrate crystal, and the amorphous silicon layer is heated and epitaxially grown.

【0018】(3) BaxySi46-y(ここで、x=1〜
8、y=1〜6、RはAgまたはAu)のクラスレート化
合物結晶、またはシリコン原子のみからなるクラスレー
ト結晶の上に、450℃以下の温度にてイオンビームスパ
ッタリング法でアモルファスシリコンを成膜しした後、
真空または不活性雰囲気中にて、500〜1200℃の温度に
加熱してエピタキシャル成長させることを特徴とする上
記(2)の複合結晶構造のシリコン材料の製造方法。
(3) Ba x R y Si 46-y (where x = 1 to
8, y = 1 to 6, R is Ag or Au) Clathrate compound crystal or clathrate crystal consisting of silicon atoms only, amorphous silicon film is formed by ion beam sputtering at a temperature of 450 ° C. or less After doing
(2) The method for producing a silicon material having a composite crystal structure according to the above (2), wherein the epitaxial growth is performed by heating to a temperature of 500 to 1200 ° C. in a vacuum or an inert atmosphere.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】従来のシリコンクラスレート化合
物結晶は、シリコンの包接格子の中に、アルカリ金属、
またはアルカリ土類金属、あるいはその他の原子が包接
されたものである。これに対し本発明のシリコンクラス
レート結晶は、これらの包接された原子は無く、シリコ
ンの包接格子のみからなるSi46とSi136との単位格
子が混在した複合構造の結晶である。ただし、この複合
構造の結晶は他の原子を包接したクラスレート化合物か
ら成長させるので、これらシリコンのみからなるクラス
レート結晶に、他の原子を包接するクラスレート化合物
結晶が密着して存在していてもかまわない。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A conventional silicon clathrate compound crystal contains an alkali metal,
Or, an alkaline earth metal or another atom is included. On the other hand, the silicon clathrate crystal of the present invention is a crystal having a complex structure in which a unit cell of Si 46 and Si 136 consisting only of the silicon inclusion lattice is present without these inclusion atoms. However, since the crystal having this composite structure is grown from a clathrate compound that includes other atoms, the clathrate compound crystal that includes other atoms is closely attached to the clathrate crystal composed of only silicon. It doesn't matter.

【0020】このシリコンのみからなるクラスレート結
晶は、Si46とSi136との単位格子が混在した複合構
造の結晶であるが、バンドギャップは1.8〜1.9eV、と
従来のダイヤモンド型結晶構造のシリコンよりも遙かに
高い値となる。また、通常のシリコン単結晶と同様に、
拡散やイオン注入等の手法により3族または5族の元素
をドーピングし、半導体として使用することができる。
The clathrate crystal composed of only silicon is a crystal having a complex structure in which unit cells of Si 46 and Si 136 are mixed, and has a band gap of 1.8 to 1.9 eV, which is a conventional silicon crystal having a diamond type crystal structure. The value is much higher than that. Also, similar to normal silicon single crystal,
The semiconductor can be used as a semiconductor by doping with a Group 3 or Group 5 element by a technique such as diffusion or ion implantation.

【0021】シリコンのみからなるクラスレート結晶
は、BaxySi46-yの形のクラスレート化合物を種結
晶とし、その結晶からシリコンのみをエピタキシャル成
長させて作製する。この組成式のxは1〜8、yは1〜6と
し、RはAgまたはAuであることとする。xまたはy
の値を、1〜8または1〜6と限定するのは、この範囲を逸
脱する値にすると、種結晶となるクラスレート化合物結
晶が得られなくなるからである。RはAgまたはAuと
する。これらの元素とすることによって、安定した種結
晶を得ることができる。
The clathrate crystal composed of only silicon is prepared by using a clathrate compound in the form of Ba x R y Si 46-y as a seed crystal and epitaxially growing only silicon from the crystal. In this composition formula, x is 1 to 8, y is 1 to 6, and R is Ag or Au. x or y
The value of is limited to 1 to 8 or 1 to 6 because if the value is out of this range, a clathrate compound crystal serving as a seed crystal cannot be obtained. R is Ag or Au. By using these elements, a stable seed crystal can be obtained.

【0022】シリコンのみからなるクラスレート結晶の
製造方法は、平板状の場合を例に取れば次のようにな
る。用いる基板は、LSIなどに用いられるシリコンウ
ェーハがよく、ガラス製やセラミック製なども利用でき
る。まず、クラスレート化合物結晶の原料にするBa、
Ag、AuおよびSiを所要組成に配合し、アーク溶解
法等にて合金を溶融作製する。この合金をターゲットに
用い、高真空下にて基板を600〜800℃に加熱し、レーザ
ーアブレーション法にて基板上に薄膜を蒸着させれば、
クラスレート化合物結晶が形成される。この場合、安定
してクラスレート化合物を形成させるには、成膜時の雰
囲気をできるだけ高真空とするのが望ましく、10-6Torr
以下の圧力にまで真空排気しつつおこなうのがよい。
The method of manufacturing a clathrate crystal composed of only silicon is as follows, taking the case of a flat plate as an example. The substrate to be used is preferably a silicon wafer used for an LSI or the like, and may be made of glass or ceramic. First, Ba as a raw material of a clathrate compound crystal,
Ag, Au and Si are blended in a required composition, and an alloy is melted and produced by an arc melting method or the like. Using this alloy as a target, heating the substrate to 600 to 800 ° C under high vacuum and depositing a thin film on the substrate by laser ablation method,
Clathrate compound crystals are formed. In this case, in order to stably form the clathrate compound, it is desirable that the atmosphere during the film formation be as high as possible, and 10 -6 Torr
It is preferable to perform the process while evacuating to the following pressure.

【0023】得られた膜がクラスレート化合物結晶であ
ることを確認後、アモルファスシリコンをその上に形成
させる。この種結晶膜の上にSiH4を原料ガスとし
て、CVD法により気相から直接エピタキシャル成長さ
せても、クラスレート結晶を得ることができるが、ダイ
ヤモンド型結晶構造のシリコンが発生しやすく、これが
多く混在してくるので、一旦アモルファスシリコンを積
層させ、それを加熱して成長させる方がよい。アモルフ
ァスシリコンは、種結晶膜を形成させた基板の温度を、
450℃以下、望ましくは100℃以下のできれば室温程度と
し、スパッタリング法で成膜する。その場合、基板温度
が上昇すると結晶化しダイヤモンド型結晶構造になるの
で、温度の上昇し難いイオンビームスパッタリング法が
よい。アモルファスシリコンを成膜後、10-5Torr以下の
圧力の真空中、または99.95%以上、露点−45℃以下の
高純アルゴンなどの不活性ガス中にて、500〜1200℃の
範囲の温度に加熱して、エピタキシャル成長によりクラ
スレート結晶とする。真空または高純不活性雰囲気とす
るのは、わずかな酸化が、エピタキシャル成長を阻害す
ることがあるからで、酸化を十分に防止するためであ
る。加熱温度は、500℃を下回るとエピタキシャル成長
の速度が著しく遅くなり、長時間を要するようになる。
また1200℃を超えると、ダイヤモンド型の結晶構造にな
りやすい。
After confirming that the obtained film is a clathrate compound crystal, amorphous silicon is formed thereon. Although clathrate crystals can be obtained by direct epitaxial growth from the gas phase by CVD using SiH 4 as a source gas on this seed crystal film, silicon having a diamond-type crystal structure is likely to be generated. Therefore, it is better to stack amorphous silicon once and heat it to grow it. Amorphous silicon adjusts the temperature of the substrate on which the seed crystal film is formed,
The film is formed by a sputtering method at a temperature of 450 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or lower, preferably at about room temperature. In this case, the substrate is crystallized when the substrate temperature rises to form a diamond-type crystal structure. Therefore, an ion beam sputtering method in which the temperature does not easily rise is preferable. After the amorphous silicon film is formed, in a vacuum at a pressure of 10 -5 Torr or less, or in an inert gas such as high-purity argon with a dew point of -45 ° C. Heat to form a clathrate crystal by epitaxial growth. The reason why the vacuum or the high-purity inert atmosphere is used is that slight oxidation may hinder epitaxial growth, so that oxidation is sufficiently prevented. If the heating temperature is lower than 500 ° C., the rate of epitaxial growth becomes extremely slow, and it takes a long time.
If the temperature exceeds 1200 ° C., a diamond-type crystal structure is likely to be formed.

【0024】[0024]

【実施例】アーク溶解法により、Ba8Ag2Si44の組
成の合金を溶製した。この合金をターゲットに用い、S
iの(001)基板の上に、レーザーアブレーション法にて
薄膜を形成させた。その場合、到達真空度を10-9Torr、
基板の加熱温度650℃、レーザー源はArF(波長193n
m)、パルス幅20ns、レーザエネルギ範囲60〜100mJとし
て、30分間成膜をおこなった。
EXAMPLE An alloy having a composition of Ba 8 Ag 2 Si 44 was produced by the arc melting method. Using this alloy as a target, S
A thin film was formed on the (001) substrate i by a laser ablation method. In that case, the ultimate vacuum degree is 10 -9 Torr,
Substrate heating temperature 650 ° C, laser source is ArF (wavelength 193n)
m), a pulse width of 20 ns, and a laser energy range of 60 to 100 mJ, and a film was formed for 30 minutes.

【0025】得られた膜のX線回折による解析の結果、
BaxAgySi46-yの化合物クラスレートの多結晶膜で
あることが確認された。この多結晶膜を形成させた基板
の上に、イオンビームスパッタリング法によりシリコン
を成膜した。成膜条件は、イオンにArを用い、基板の
温度を室温に維持し、真空度を5×10-8Torrとし、加速
電圧300V、電流60mAで成膜時間2時間とした。成膜後1
0-6Torr以下の真空中で650℃、3時間の加熱をおこなっ
た。この膜の厚さは1μmであった。X線による結晶構造
解析の結果、成膜直後はアモルファスシリコンであった
が、加熱後はアモルファスシリコンに対応する回折パタ
ーンは消失し、Si46とSi136の混在した結晶構造の
シリコンクラスレート結晶であることがわかった。
As a result of analyzing the obtained film by X-ray diffraction,
It was confirmed that the film was a polycrystalline film of a compound clathrate of Ba x Ag y Si 46-y . On the substrate on which the polycrystalline film was formed, silicon was formed by an ion beam sputtering method. The film formation conditions were as follows: Ar was used as ions, the substrate temperature was maintained at room temperature, the degree of vacuum was 5 × 10 −8 Torr, the acceleration voltage was 300 V, the current was 60 mA, and the film formation time was 2 hours. After film formation 1
Heating was performed at 650 ° C. for 3 hours in a vacuum of 0 −6 Torr or less. The thickness of this film was 1 μm. As a result of X-ray crystal structure analysis, the film was amorphous silicon immediately after the film formation, but after heating, the diffraction pattern corresponding to the amorphous silicon disappeared, and the silicon clathrate crystal having a crystal structure of a mixture of Si 46 and Si 136 I found it.

【0026】次に、この厚さ1μmのシリコンクラスレー
ト結晶膜が形成された基板を用い、その上へさらに上記
と全く同じ条件にて、イオンビームスパッタリング法に
よりアモルファスシリコンを成膜し、真空中での650
℃、3時間加熱するという操作をを繰り返して、合計の
シリコン膜厚を2μmとした。こようにして得られた膜に
ついてX線解析をおこなった結果、膜全体がSi46とS
136の結晶構造の混在したシリコンクラスレート結晶
であることが確認できた。さらに紫外線光電子分光によ
り測定した結果では、バンドギャップは1.85eVであっ
た。
Next, using the substrate on which the silicon clathrate crystal film having a thickness of 1 μm was formed, amorphous silicon was further formed thereon by ion beam sputtering under exactly the same conditions as above, At 650
The operation of heating at 3 ° C. for 3 hours was repeated to make the total silicon film thickness 2 μm. Employment and the results was carried out X-ray analysis of the obtained film, the whole film is Si 46 and S
it was confirmed i 136 is a mixed silicon clathrate crystals of the crystal structure. Further, as a result of measurement by ultraviolet photoelectron spectroscopy, the band gap was 1.85 eV.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明は、シリコンのみから構成され
た、他元素を含まないクラスレート構造のシリコン結晶
と、その製造方法を提供するものである。シリコンクラ
スレート結晶は、通常のダイヤモンド結晶構造のシリコ
ンに比して、大きなバンドギャップを有しており、従来
適用できなかった光デバイスなど、半導体その他のエレ
クトロニクス材料への活用が期待される。
The present invention provides a silicon crystal composed of only silicon and having a clathrate structure containing no other element and a method for producing the same. The silicon clathrate crystal has a larger band gap than silicon having a normal diamond crystal structure, and is expected to be used for semiconductors and other electronic materials such as optical devices that could not be applied conventionally.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】Si46のシリコンクラスレートの結晶構造の一
部を示す図である。
FIG. 1 is a view showing a part of a crystal structure of a silicon clathrate of Si 46 .

【図2】Si136のシリコンクラスレートの結晶構造の
一部を示す図である。
FIG. 2 is a view showing a part of a crystal structure of a silicon clathrate of Si 136 .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米村 光治 兵庫県尼崎市扶桑町1番8号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 (72)発明者 沢崎 立雄 兵庫県尼崎市扶桑町1番8号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 (72)発明者 柴垣 茂樹 兵庫県尼崎市扶桑町1番8号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 (72)発明者 白川 義徳 兵庫県尼崎市扶桑町1番8号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 (72)発明者 池田 直紀 兵庫県尼崎市扶桑町1番8号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 Fターム(参考) 4G072 AA01 AA20 BB09 FF09 GG01 GG03 HH01 HH02 NN11 NN24 UU01 4G077 AA03 BA04 DA03 DA11 DA15 ED01 HA06 4K029 AA06 BA35 BB02 CA08  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Koji Yonemura 1-8 Fuso-cho, Amagasaki-shi, Hyogo Prefecture Inside Sumitomo Metal Industries, Ltd. Electronics Technology Research Laboratories (72) Tatsuo Sawazaki 1-8 Fuso-cho, Amagasaki-shi, Hyogo Sumitomo Metal Industries, Ltd. Electronics Technology Research Laboratories (72) Inventor Shigeki Shibaki 1-8 Fuso-cho, Amagasaki City, Hyogo Prefecture Sumitomo Metal Industries Co., Ltd. Electronics Technology Research Laboratory (72) Inventor Yoshinori Shirakawa 1st Fuso-cho, Amagasaki City, Hyogo Prefecture No. 8 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Electronics Technology Research Laboratories (72) Inventor Naoki Ikeda 1-8 Fuso-cho, Amagasaki City, Hyogo Prefecture Sumitomo Metal Industries, Ltd. Electronics Technology Research Laboratories F-term (reference) HH02 NN11 NN24 UU01 4G077 AA03 BA04 DA0 3 DA11 DA15 ED01 HA06 4K029 AA06 BA35 BB02 CA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン原子の包接格子であるSi20とS
24とで構成されるSi46の単位結晶格子と、同じく包
接格子であるSi20とSi28とで構成されるSi136
単位結晶格子とが混在した複合結晶構造のシリコン材
料。
1. An inclusion lattice of silicon atoms, Si 20 and S
A silicon material having a complex crystal structure in which a unit crystal lattice of Si 46 composed of i 24 and a unit crystal lattice of Si 136 composed of Si 20 and Si 28 which are also inclusion lattices are mixed.
【請求項2】シリコンのクラスレート結晶の上にアモル
ファスシリコンを形成させ、これを加熱してエピタキシ
ャル成長させることを特徴とする請求項1に記載の複合
結晶構造のシリコン材料の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein amorphous silicon is formed on the clathrate crystal of silicon, and the amorphous silicon is heated and epitaxially grown.
【請求項3】BaxySi46-y(ここで、x=1〜8、y
=1〜6、RはAgまたはAu)のクラスレート化合物結
晶、またはシリコン原子のみからなるクラスレート結晶
の上に、450℃以下の温度にてイオンビームスパッタリ
ング法でアモルファスシリコンを成膜しした後、真空ま
たは不活性雰囲気中にて、500〜1200℃の温度に加熱し
てエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項2
に記載の複合結晶構造のシリコン材料の製造方法。
Wherein Ba x R y Si 46-y ( where, x = 1~8, y
= 1 to 6, R is an Ag or Au) clathrate compound crystal or an amorphous silicon film formed by ion beam sputtering at a temperature of 450 ° C or less on a clathrate crystal composed of only silicon atoms. 3. An epitaxial growth by heating to a temperature of 500 to 1200 [deg.] C. in a vacuum or inert atmosphere.
3. The method for producing a silicon material having a composite crystal structure according to 1.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPWO2014050100A1 (en) * 2012-09-26 2016-08-22 新日鐵住金株式会社 Electrode active material, method for producing electrode active material, electrode, battery, and method of using clathrate compound
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