JPH0297485A - 三次元物質上への二次元物質のヘテロエピタキシャル成長法 - Google Patents
三次元物質上への二次元物質のヘテロエピタキシャル成長法Info
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- JPH0297485A JPH0297485A JP63250716A JP25071688A JPH0297485A JP H0297485 A JPH0297485 A JP H0297485A JP 63250716 A JP63250716 A JP 63250716A JP 25071688 A JP25071688 A JP 25071688A JP H0297485 A JPH0297485 A JP H0297485A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は半導体等の三次元物質の正常表面上に層状超伝
導物質等の二次元物質を単結晶超薄膜状でヘテロエピタ
キシャル成長させて、量子井戸型半導体レーザ、高電子
移動型トランジスタ、ヘテロバイポーラトランジスタ、
共鳴トンネル素子、超格子素子、ジョセフソン素子等の
、ヘテロ構造を基本要素とした新しい電子素子の実現を
可能にした重要技術の開発に関するものである。
導物質等の二次元物質を単結晶超薄膜状でヘテロエピタ
キシャル成長させて、量子井戸型半導体レーザ、高電子
移動型トランジスタ、ヘテロバイポーラトランジスタ、
共鳴トンネル素子、超格子素子、ジョセフソン素子等の
、ヘテロ構造を基本要素とした新しい電子素子の実現を
可能にした重要技術の開発に関するものである。
（従来の技術）
ある物質の単結晶表面上に別の物質の単結晶超薄膜を成
長させる技術は、量子井戸型半導体レーザ、高電子移動
度トランジスタ、ヘテロバイポーラトランジスタ、共鳴
トンネル素子、超格子素子などの、ヘテロ構造を基本要
素とした新しい電子素子の実現を可能にした重要技術で
ある。これらの大部分はへテロエピタキシャル成長とい
っても、半導体物質上に別の半導体物質を成長させたも
ので、半導体物質上に金属、特に超伝導金属あるいは絶
縁物をヘテロ成長させた例はきわめて少ない。
長させる技術は、量子井戸型半導体レーザ、高電子移動
度トランジスタ、ヘテロバイポーラトランジスタ、共鳴
トンネル素子、超格子素子などの、ヘテロ構造を基本要
素とした新しい電子素子の実現を可能にした重要技術で
ある。これらの大部分はへテロエピタキシャル成長とい
っても、半導体物質上に別の半導体物質を成長させたも
ので、半導体物質上に金属、特に超伝導金属あるいは絶
縁物をヘテロ成長させた例はきわめて少ない。
（発明が解決しようとする課題）
その理由は、多くの固体物質の清浄表面上には切れた結
合手（ダングリングボンド）が現われるため、この上に
別の物質を成長させようとすると、結晶構造や格子間隔
が整合していないと、すべての結合手が結合できず、上
に成長する物質は単結晶にならないことによる。このた
め、良好なヘテロエピタキシャル成長は、結晶構造がよ
く似ており、格子整合条件が満たされた、ごく限られた
組合せの物質量でのみ可能であった。
合手（ダングリングボンド）が現われるため、この上に
別の物質を成長させようとすると、結晶構造や格子間隔
が整合していないと、すべての結合手が結合できず、上
に成長する物質は単結晶にならないことによる。このた
め、良好なヘテロエピタキシャル成長は、結晶構造がよ
く似ており、格子整合条件が満たされた、ごく限られた
組合せの物質量でのみ可能であった。
またへテロ成長させる高温時には格子整合条件が満たさ
れていたとしても、ヘテロ構造を形成する２種の物質の
膨張係数が異なるために、室温に下げる間に格子間隔に
差が現れ、歪が導入されるという問題があった。
れていたとしても、ヘテロ構造を形成する２種の物質の
膨張係数が異なるために、室温に下げる間に格子間隔に
差が現れ、歪が導入されるという問題があった。
（課題を解決するだめの手段）
本発明は、種々の三次元物資（結合が一次元鎖内のみで
閉じている一次元物質や、結合が二次元層内で閉じてい
る層状物質などの二次元物質を除いたほとんどの物質で
は、結合は三次元的に広がっているので、それらを総称
して三次元物質と呼ぶ）の清浄表面上のダングリングボ
ンドをなんらかの方法で終端し、この上にファンデアヮ
ールス力を介して、二次元物質（層状物質のように、結
合が二次元層内で閉じている物質を、ここでは二次元物
質と呼ぶ）をヘテロ成長させることによって、従来のへ
テロエピタキシャル成長に科せられていた格子整合など
の制約を取り除き、ヘテロ構造作成に大きな自由度をも
たらそうとするものである。
閉じている一次元物質や、結合が二次元層内で閉じてい
る層状物質などの二次元物質を除いたほとんどの物質で
は、結合は三次元的に広がっているので、それらを総称
して三次元物質と呼ぶ）の清浄表面上のダングリングボ
ンドをなんらかの方法で終端し、この上にファンデアヮ
ールス力を介して、二次元物質（層状物質のように、結
合が二次元層内で閉じている物質を、ここでは二次元物
質と呼ぶ）をヘテロ成長させることによって、従来のへ
テロエピタキシャル成長に科せられていた格子整合など
の制約を取り除き、ヘテロ構造作成に大きな自由度をも
たらそうとするものである。
ここで三次元物質とは、結合が一次元鎖内のみで閉じて
いる一次元物質又は、結合が二次元層内で閉じている層
状物質など二次元物質を除いたほとんどの物質では、結
合は三次元的に広がっているので、それらを総称して三
次元物質と呼ぶ。
いる一次元物質又は、結合が二次元層内で閉じている層
状物質など二次元物質を除いたほとんどの物質では、結
合は三次元的に広がっているので、それらを総称して三
次元物質と呼ぶ。
この発明でいう三次元物質とは共有結合やイオン結合の
ように方向性のある結合が、三次元的につながってでき
た結晶物質をいい、具体的には次のような物質をさす。
ように方向性のある結合が、三次元的につながってでき
た結晶物質をいい、具体的には次のような物質をさす。
（１）Ｓ ｉ、Ｇｅ、Ｓ ｉ＋−ＸＧｅｘ等の■属元素
半−Ｗ体及びその混晶 （２）ダイヤモンド （３）ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇａ＋−、ＡＩＸＡｓＩ ｎ
Ａｓ１−ｘＰｘ、Ｉ ｎ＋−ｘＧａＸＡｓ、−、Ｐｙ等
の■Ｖ属半導体及びその混晶 （４）ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＨｇＴｅ。
半−Ｗ体及びその混晶 （２）ダイヤモンド （３）ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇａ＋−、ＡＩＸＡｓＩ ｎ
Ａｓ１−ｘＰｘ、Ｉ ｎ＋−ｘＧａＸＡｓ、−、Ｐｙ等
の■Ｖ属半導体及びその混晶 （４）ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＨｇＴｅ。
Ｈｇ＋−ｘｃｄｇＴｅ、ＺｎＳ、−ＸＳｅｘ等の■■属
半導体及びその混晶 （５）Ｎａ Ｃｌ、ＫＢｒ、Ｎａ＋−ｘＫｕｃ ｌ。
半導体及びその混晶 （５）Ｎａ Ｃｌ、ＫＢｒ、Ｎａ＋−ｘＫｕｃ ｌ。
ＮａＣ１＋−ｘＢｒ＋を等のアルカリハライド及びその
混晶 （６）ＣａＦｚ、５ｒＦｚ、ＢａＦｚ。
混晶 （６）ＣａＦｚ、５ｒＦｚ、ＢａＦｚ。
Ｃａ ＋−ｘＳ ｒ ＸＦ ２等のアルカリ土類ハライ
ド及びその混晶 （７）ＡｇＣ１，ＡｇＢｒ、ＡｇＣ１＋−ｘＢｒｘ等の
ハロゲン化銀及びその混晶 （８）ＣｕＦｅＳｚ等のカルコパイライト型結晶物質及
びその混晶 また、この発明でいう二次元物質とは、層状の結晶構造
を持ち層間がファンデアワールス力で結合している結晶
物質をいい、具体的には次のような物質をさす。
ド及びその混晶 （７）ＡｇＣ１，ＡｇＢｒ、ＡｇＣ１＋−ｘＢｒｘ等の
ハロゲン化銀及びその混晶 （８）ＣｕＦｅＳｚ等のカルコパイライト型結晶物質及
びその混晶 また、この発明でいう二次元物質とは、層状の結晶構造
を持ち層間がファンデアワールス力で結合している結晶
物質をいい、具体的には次のような物質をさす。
（１）ＮｂＳｅｚ 、Ｎｂ５ｚ 、Ｍｏ５ｚ 。
ＭｏＳｅｚ 、Ｈｆ Ｓｅ２ 、Ｎｂ５ｚ−）（ＳｅＸ
等の遷移金属グイカルコゲナイド及びその混晶（２）グ
ラファイト （３）ＧａＳ、Ｇａｇｅ、ＧａＳ、、Ｓｅ、等の層状物
質及びその混晶 （４）Ｃｄ Ｉｚ 、Ｐｂ １２等の層状物質及びその
？昆晶 （５） ＫｚＡｌ ４ （Ｓ １６Ａ１２０□ａ
） （Ｏｉ（、Ｆ）。
等の遷移金属グイカルコゲナイド及びその混晶（２）グ
ラファイト （３）ＧａＳ、Ｇａｇｅ、ＧａＳ、、Ｓｅ、等の層状物
質及びその混晶 （４）Ｃｄ Ｉｚ 、Ｐｂ １２等の層状物質及びその
？昆晶 （５） ＫｚＡｌ ４ （Ｓ １６Ａ１２０□ａ
） （Ｏｉ（、Ｆ）。
Ｍｇ６（ＳｉａＯ□ｔ＋）（ＯＨ）４等の雲母及びその
混晶 本発明は、上で定義した三次元物質の単結晶表面上に、
同じく上で定義した二次元物質をヘテロエピタキシャル
成長させる方法に関するものであり、以下の２点を要件
とする。
混晶 本発明は、上で定義した三次元物質の単結晶表面上に、
同じく上で定義した二次元物質をヘテロエピタキシャル
成長させる方法に関するものであり、以下の２点を要件
とする。
（１） 三次元物質の６回対称または３回対称をもつ
結晶面（立方対称を持つ結晶の場合は（１１１）面、六
方対称を持つ結晶の場合は（０００１，）面）上の切れ
た結合手（以下ダングリングボンドと呼ぶ）に、ヘテロ
エピタキシャル成長温度では除去されない原子を結合し
てフリーボンドのない状態に処理する前処理工程と、（
２） この基板の処理面上に二次元物質を真空中で蒸着
し、基板の結晶軸方向に二次元層状物質の原子を配列さ
せながらエピタキシャル成長させる工程との結合を特徴
とする。この２つの要件を満たすことにより、通常の結
晶成長において問題となる格子整合条件をみたさなくと
も、三次元物質上への二次元物質の良好なヘテロ成長が
可能になる。
結晶面（立方対称を持つ結晶の場合は（１１１）面、六
方対称を持つ結晶の場合は（０００１，）面）上の切れ
た結合手（以下ダングリングボンドと呼ぶ）に、ヘテロ
エピタキシャル成長温度では除去されない原子を結合し
てフリーボンドのない状態に処理する前処理工程と、（
２） この基板の処理面上に二次元物質を真空中で蒸着
し、基板の結晶軸方向に二次元層状物質の原子を配列さ
せながらエピタキシャル成長させる工程との結合を特徴
とする。この２つの要件を満たすことにより、通常の結
晶成長において問題となる格子整合条件をみたさなくと
も、三次元物質上への二次元物質の良好なヘテロ成長が
可能になる。
なお、（１）の要件を満たすためには、以下のような具
体的方法が考えられる。
体的方法が考えられる。
（＋ ） Ｃａ Ｆ ｚ （１１１） ”９ｒ開面や
、真空加熱面のようにはじめからダングリングボンドが
終端されている面を用いる。
、真空加熱面のようにはじめからダングリングボンドが
終端されている面を用いる。
（１１） 硫化物で処理したＧａＡｓ表面のように、
ダングリングボンドが不純物原子（この場合はＳ）によ
って規則正しく終端され、かつそれが高温まで安定な面
を用いる。
ダングリングボンドが不純物原子（この場合はＳ）によ
って規則正しく終端され、かつそれが高温まで安定な面
を用いる。
（ｉｉｉ） （ｉ）ないしくｉｉ）の方法で要件を
満たす面が実現できる物質をヘテロ成長させた後、その
表面を用いる。５ｉ（１１１）面上にＣａ Ｆ ２をヘ
テロ成長させ、その表面を利用するなどが、この例であ
る。
満たす面が実現できる物質をヘテロ成長させた後、その
表面を用いる。５ｉ（１１１）面上にＣａ Ｆ ２をヘ
テロ成長させ、その表面を利用するなどが、この例であ
る。
また（２）の要件を実現する具体的方法としては、分子
線エピタキシー法、有機金属気相成長などの各種超薄膜
成長手法を利用することが可能である。
線エピタキシー法、有機金属気相成長などの各種超薄膜
成長手法を利用することが可能である。
ある物質の単結晶表面上に別の物質の単結晶超薄膜を成
長させる技術は、量子井戸型半導体レーザ、高電子移動
度トランジスタ、−・テロバイポーラトランジスタ、共
鳴トンネル素子、超格子素子などの、ヘテロ構造を基本
要素とした新しい電子素子の実現を可能にした重要技術
である。これらの大部分はへテロエピタキシャル成長と
い、っても、半導体物質上の別の半導体物質を成長させ
たもので、半導体物質上に金属、特に超伝導金属あるい
は絶縁物をヘテロ成長させた例はきわめて少ない。
長させる技術は、量子井戸型半導体レーザ、高電子移動
度トランジスタ、−・テロバイポーラトランジスタ、共
鳴トンネル素子、超格子素子などの、ヘテロ構造を基本
要素とした新しい電子素子の実現を可能にした重要技術
である。これらの大部分はへテロエピタキシャル成長と
い、っても、半導体物質上の別の半導体物質を成長させ
たもので、半導体物質上に金属、特に超伝導金属あるい
は絶縁物をヘテロ成長させた例はきわめて少ない。
その理由は、第８図に示すように、多くの三次元固体物
質Ａ、Ｂの清浄表面上にはダングリングボンド１が現れ
るため、この上に別の物質を成長させようとすると、結
晶構造や格子間隔が整合していないと、すべての結合手
が結合できず、上に成長する物質は単結晶にならないこ
とによる。このため、良好なヘテロエピタキシャル成長
は、結晶構造がよく似ており、格子整合条件が満たされ
たごく限られた組合せの物質量でのみ可能であった。
質Ａ、Ｂの清浄表面上にはダングリングボンド１が現れ
るため、この上に別の物質を成長させようとすると、結
晶構造や格子間隔が整合していないと、すべての結合手
が結合できず、上に成長する物質は単結晶にならないこ
とによる。このため、良好なヘテロエピタキシャル成長
は、結晶構造がよく似ており、格子整合条件が満たされ
たごく限られた組合せの物質量でのみ可能であった。
またへテロ成長させる高温時には格子整合条件が満たさ
れていたとしても、ヘテロ構造を形成する２種の物質の
膨張係数が異なるために、室温に下げる間に格子間隔に
差が現れ、歪が導入されるという問題があった。
れていたとしても、ヘテロ構造を形成する２種の物質の
膨張係数が異なるために、室温に下げる間に格子間隔に
差が現れ、歪が導入されるという問題があった。
本発明は第１図に示すように、種々の三次元吻質２の清
浄表面上のダングリングボンドをなんらかの方法で所要
の金属と結合させて終端しておき、この上にファンデア
ワールス力を介して、二次元層状物質３をヘテロ成長さ
せることによって、従来のへテロエピタキシャル成長に
科せられていた格子整合などの制約を取り除き、ヘテロ
構造作成に大きな自由度をもたらし、従来作成できなか
ったヘテロ構造を実現しようとするものである。
浄表面上のダングリングボンドをなんらかの方法で所要
の金属と結合させて終端しておき、この上にファンデア
ワールス力を介して、二次元層状物質３をヘテロ成長さ
せることによって、従来のへテロエピタキシャル成長に
科せられていた格子整合などの制約を取り除き、ヘテロ
構造作成に大きな自由度をもたらし、従来作成できなか
ったヘテロ構造を実現しようとするものである。
（実施例）
実施例１
本発明の実施例としてまずＣａＦ２（１１１）基板上へ
のＭｏ Ｓ ｅ ２のへテロ成長の態様を以下に示す。
のＭｏ Ｓ ｅ ２のへテロ成長の態様を以下に示す。
基板は大気下で襞間した後すくに、第２図に示すような
分子線エピタキシー装置内に導入し、基板温度約４００
″Ｃ１成長速度約０．１人／Ｓ程度で、ＭｏＳｅｚをヘ
テロ成長させた。
分子線エピタキシー装置内に導入し、基板温度約４００
″Ｃ１成長速度約０．１人／Ｓ程度で、ＭｏＳｅｚをヘ
テロ成長させた。
第２図において、４は金属蒸発源を示し、これにＳｅ蒸
発源５及びＭｏ蒸発源６を設ける。Ｓｅ蒸発源５はクヌ
ッセンセルと称するタンタル線等の抵抗加熱炉を使用し
、Ｍ ｏ Ｑ発源６は電子ビーム蒸発源で炉の周囲に静
電レンズ５Ａ金属面に電子ビームを照射し、局部的に３
０００°Ｃに加熱し、金属を電子ビームで加熱蒸発し、
静電レンズにより試料９に焦点を結んで放射されるよう
にする。
発源５及びＭｏ蒸発源６を設ける。Ｓｅ蒸発源５はクヌ
ッセンセルと称するタンタル線等の抵抗加熱炉を使用し
、Ｍ ｏ Ｑ発源６は電子ビーム蒸発源で炉の周囲に静
電レンズ５Ａ金属面に電子ビームを照射し、局部的に３
０００°Ｃに加熱し、金属を電子ビームで加熱蒸発し、
静電レンズにより試料９に焦点を結んで放射されるよう
にする。
７．８は金属の蒸着を遮断するシャッターである。
これらの蒸発源５．６及び試料９は真空容器２３中に収
納されており、液体窒素トラップつき油拡散ポンプ１９
、油回転ポンプ２０が主ポンプとして真空吸引する。こ
の外にチタンサブリメーションポンプ２１と荒引系真空
ポンプ吸引口２２とがあり、この補助真空ポンプ系で１
０−’ｌ−−ルの真空度まで吸引する。それ以上の真空
度は補助真空ポンプによっては期待し得られないので、
あとは主ポンプにより吸引し１Ｏ−Ｉｏ トールの真空
度とする。Ｓｅ及びＭｏ等の金属が試料（ＣａＦ２（１
１１）基板）上にエピタキシャル成長させる温度は約４
００〜６００°Ｃの間にあり、この温度に真空容器２３
内を保持し、真空蒸着を行うと、試料の面上でＭｏＳｅ
ｚ膜が単結晶でエピタキシャル成長法により形成される
。この試料面と微小な角度をもってＲヒート電子銃１６
より放射される電子ビームで試料面を照射し、その反射
パターンを１？ヒートスクリーン１７に投影して監視出
来るようにする。ごの監視が終った状態で試料保持位置
１０により試料９を保持する腕１０Ａを９０゜回転させ
て、円筒鏡型電子エネルギー分析器１１に正対させ、電
子銃１２で試料面を照射し、電子銃１２のビーム照射に
より生じた二次電子を円筒鏡電極１３で収斂させて、電
子増倍管１４に受けて、電子１個を１００万倍位に出力
端子１５に得た出力により分析を行うように構成する。
納されており、液体窒素トラップつき油拡散ポンプ１９
、油回転ポンプ２０が主ポンプとして真空吸引する。こ
の外にチタンサブリメーションポンプ２１と荒引系真空
ポンプ吸引口２２とがあり、この補助真空ポンプ系で１
０−’ｌ−−ルの真空度まで吸引する。それ以上の真空
度は補助真空ポンプによっては期待し得られないので、
あとは主ポンプにより吸引し１Ｏ−Ｉｏ トールの真空
度とする。Ｓｅ及びＭｏ等の金属が試料（ＣａＦ２（１
１１）基板）上にエピタキシャル成長させる温度は約４
００〜６００°Ｃの間にあり、この温度に真空容器２３
内を保持し、真空蒸着を行うと、試料の面上でＭｏＳｅ
ｚ膜が単結晶でエピタキシャル成長法により形成される
。この試料面と微小な角度をもってＲヒート電子銃１６
より放射される電子ビームで試料面を照射し、その反射
パターンを１？ヒートスクリーン１７に投影して監視出
来るようにする。ごの監視が終った状態で試料保持位置
１０により試料９を保持する腕１０Ａを９０゜回転させ
て、円筒鏡型電子エネルギー分析器１１に正対させ、電
子銃１２で試料面を照射し、電子銃１２のビーム照射に
より生じた二次電子を円筒鏡電極１３で収斂させて、電
子増倍管１４に受けて、電子１個を１００万倍位に出力
端子１５に得た出力により分析を行うように構成する。
１８は水晶発振式膜厚計で、試料保持位置に位置させて
おくと、層状物質を構成する金属の蒸発粒子の付着によ
り膜厚が測定できる。
おくと、層状物質を構成する金属の蒸発粒子の付着によ
り膜厚が測定できる。
第２図の装置において、Ｍ ｏ、ビームは電子ビーム蒸
発源６によって、またＳｅビームはクヌッセンセルのＳ
ｅ蒸発［５によって発生させた。第３図（ａ）、（ｂ）
は成長開始直前のＣ，ａ Ｆ。
発源６によって、またＳｅビームはクヌッセンセルのＳ
ｅ蒸発［５によって発生させた。第３図（ａ）、（ｂ）
は成長開始直前のＣ，ａ Ｆ。
（１１１）基板及びこの基板上に成長させたＭｏ Ｓ
ｅ、のＲＨＥＥＤ （反射高速電子線回折）パターンを
示す。ストリークパターンから、Ｍ ＯＳ ｅ ｚ膜は
単結晶で成長していることが分かり、また基板とへテロ
成長膜のストリークパターンの間隔が約１．２倍異なっ
ていることから、ＭｏＳｅ２は格子間隔が約１．２倍異
なるＣａＦ２上に自分自身の格子間隔で成長しているこ
とが分かる。さらに異なった結晶方位から見た基板とへ
テロ成長膜のＲＨＥＥＤパターンは互いによく対応して
おり、両者の面内の結晶軸はｌ°以内でよくそろってい
ることが分かる。
ｅ、のＲＨＥＥＤ （反射高速電子線回折）パターンを
示す。ストリークパターンから、Ｍ ＯＳ ｅ ｚ膜は
単結晶で成長していることが分かり、また基板とへテロ
成長膜のストリークパターンの間隔が約１．２倍異なっ
ていることから、ＭｏＳｅ２は格子間隔が約１．２倍異
なるＣａＦ２上に自分自身の格子間隔で成長しているこ
とが分かる。さらに異なった結晶方位から見た基板とへ
テロ成長膜のＲＨＥＥＤパターンは互いによく対応して
おり、両者の面内の結晶軸はｌ°以内でよくそろってい
ることが分かる。
できた膜の組成が所定のものであることを明らかにする
ために、作成した超薄膜のオージェ電子分光スペクトル
を測定した結果を第４図（ｂ）に示す。第４図（ａ）及
び（Ｃ）はそれぞれＣａＦ２基板及び２Ｈ−ＭｏＳｅ、
単結晶基板のオージェ電子分光スペクトルであるが、第
４図（ｂ）のスペクトルは単結晶Ｍｏｄｅ、のそれにほ
とんど−致し、作成した膜が所定の組成のものになって
いる事を示している。
ために、作成した超薄膜のオージェ電子分光スペクトル
を測定した結果を第４図（ｂ）に示す。第４図（ａ）及
び（Ｃ）はそれぞれＣａＦ２基板及び２Ｈ−ＭｏＳｅ、
単結晶基板のオージェ電子分光スペクトルであるが、第
４図（ｂ）のスペクトルは単結晶Ｍｏｄｅ、のそれにほ
とんど−致し、作成した膜が所定の組成のものになって
いる事を示している。
さらに第５図は、ＣａＦ２（１１１）基板上に成長させ
たＭｏＳｅｚ単結晶膜（厚み約７人）の低速電子エネル
ギー損失分光スペクトルを、入射電子エネルギーを変え
ることにより、ブロービング深さを変えて測定した結果
であるが、ブロービング深さが６Å以下になる。入射電
子エネルギーが４００ｅＶ以下のスペクトルは、第５図
の最下段に示したＭｏＳｅｚ単結晶のスペクトルに完全
に一致し、一方ブロービング深さが８Å以上になる、入
射電子８００ｅＶ以上のスペクトルには、基板であるＣ
ａ、Ｆｚからの信号が重なって見えている。このことは
厚みが約７人しかないにもかかわらずきわめて良質のＭ
ｏ Ｓ ｅ ２の連続薄膜がＣａＦ、基板上に形成で
きることを示すと同時に、本発明の方法で作成したＭ
ｏ Ｓ ｅ ２ ／ Ｃａ Ｆ ２界面は原子レベルで
急峻になっていることを示している。
たＭｏＳｅｚ単結晶膜（厚み約７人）の低速電子エネル
ギー損失分光スペクトルを、入射電子エネルギーを変え
ることにより、ブロービング深さを変えて測定した結果
であるが、ブロービング深さが６Å以下になる。入射電
子エネルギーが４００ｅＶ以下のスペクトルは、第５図
の最下段に示したＭｏＳｅｚ単結晶のスペクトルに完全
に一致し、一方ブロービング深さが８Å以上になる、入
射電子８００ｅＶ以上のスペクトルには、基板であるＣ
ａ、Ｆｚからの信号が重なって見えている。このことは
厚みが約７人しかないにもかかわらずきわめて良質のＭ
ｏ Ｓ ｅ ２の連続薄膜がＣａＦ、基板上に形成で
きることを示すと同時に、本発明の方法で作成したＭ
ｏ Ｓ ｅ ２ ／ Ｃａ Ｆ ２界面は原子レベルで
急峻になっていることを示している。
以上の実験事実から、三次元物質であるＣａＦ。
表面上に層状物質であるＭｏＳｅ、をヘテロ成長できる
ことが実証された。
ことが実証された。
まったく同様な方法でＣａ Ｆｚ （１１１）基板上に
層状超伝導金属物質であるＮｂＳｅ、のヘテロ成長を実
験し同様の結果が得られ成功している。
層状超伝導金属物質であるＮｂＳｅ、のヘテロ成長を実
験し同様の結果が得られ成功している。
この場合も成長温度は４００°Ｃ前後、成長速度は０、
１人／Ｓ程度が最適であった。
１人／Ｓ程度が最適であった。
実施例２
次にＧａＡｓ基板上−・の層状物質のへテロ成長結果に
ついて述べる。使用した基板はＧａＡｓ（１１１）基板
で、この表面のダングリングボンドをＳ原子で終端した
後、上述の実施例と同様の方法でＭｏＳｅｚあるいはＮ
ｂＳｅｚのへテロ成長を実験し同様の結果が得られるこ
とに成功した。
ついて述べる。使用した基板はＧａＡｓ（１１１）基板
で、この表面のダングリングボンドをＳ原子で終端した
後、上述の実施例と同様の方法でＭｏＳｅｚあるいはＮ
ｂＳｅｚのへテロ成長を実験し同様の結果が得られるこ
とに成功した。
表面のダングリングボンドをＳ原子で終端したＧａＡｓ
（１１１）表面は、機械研磨したＧａＡｓ （１１１
）ウェハーを５％Ｂｒメタノール溶液でエッチした後、
（ＮＨ４）２３液に１時間以上浸し、その後超高真空下
で４００°Ｃで数分加熱することによって得た。このよ
うにして得たＧａＡｓ表面にはｌ原子層のＳが付着して
おり、それがＣ；ａＡｓ表面上のＧａによるダングリン
グボンドを終端することを、オージェ電子分光ならびに
低速電子エネルギー損失分光で確認した。このためこの
表面上では、ファンデアワールス力だけでエピタキシャ
ル成長が進み、層状物質のへテロ成長が可能になる。な
おＧａＡｓ表面上のＳ原子は、超高真空下で約５５０°
Ｃまでの加熱に対して安定であり、成長温度がこの温度
以下であれば、ファンデアワールス力によるヘテロ成長
に影響ない。
（１１１）表面は、機械研磨したＧａＡｓ （１１１
）ウェハーを５％Ｂｒメタノール溶液でエッチした後、
（ＮＨ４）２３液に１時間以上浸し、その後超高真空下
で４００°Ｃで数分加熱することによって得た。このよ
うにして得たＧａＡｓ表面にはｌ原子層のＳが付着して
おり、それがＣ；ａＡｓ表面上のＧａによるダングリン
グボンドを終端することを、オージェ電子分光ならびに
低速電子エネルギー損失分光で確認した。このためこの
表面上では、ファンデアワールス力だけでエピタキシャ
ル成長が進み、層状物質のへテロ成長が可能になる。な
おＧａＡｓ表面上のＳ原子は、超高真空下で約５５０°
Ｃまでの加熱に対して安定であり、成長温度がこの温度
以下であれば、ファンデアワールス力によるヘテロ成長
に影響ない。
本発明の重要な応用例は次の通りである。
１、半導体物質上への超伝導単結晶のへテロエピタキシ
ー成長 ■属半導体であるシリコンはディジタル及びアナログ用
集積回路素子用材料として最も重要な物質であるが、こ
の上に超伝導物質をヘテロエピタキシャル成長できれば
、ジョセフソン素子、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵ Ｉ
Ｄ）等の超伝導素子を、上記集積回路上に一体構造と
して集積化する可能性がひらける。従来は格子整合条件
等のために半導体物質上に超伝導物質の良質なヘテロエ
ピタキシャル膜を成長させることは不可能であったが、
本発明によりこれが可能になる。すなわち本発明の方法
に従い、シリコン上に１原子層以上のＣａＦ２をヘテロ
成長させ、この上に層状超伝導体物質であるＮｂＳｅ２
．ＮｂＳ２等をヘテロ成長させれば、上記の目的が達成
できる。層状物質であるＮ ｂ Ｓ ｅ２＋ Ｎ ｂ
Ｓｚ上には各種層状物質の単結晶膜を自由にエピタキシ
ャル成長できるので、この上にさらにＨｆＳｅｚ等の層
状絶縁物質及びＮｂＳｅｚ、Ｎｂ５ｚ等の層状超伝導物
質を成長させることにより、良質なジョセフソン接合並
びに５ＱＵＩＤ素子等の超伝導素子の作成が可能になる
。このようにしてシリコンを基板物質として用い、ある
いはシリコン集積回路素子上に超伝導素子を集積化でき
る。
ー成長 ■属半導体であるシリコンはディジタル及びアナログ用
集積回路素子用材料として最も重要な物質であるが、こ
の上に超伝導物質をヘテロエピタキシャル成長できれば
、ジョセフソン素子、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵ Ｉ
Ｄ）等の超伝導素子を、上記集積回路上に一体構造と
して集積化する可能性がひらける。従来は格子整合条件
等のために半導体物質上に超伝導物質の良質なヘテロエ
ピタキシャル膜を成長させることは不可能であったが、
本発明によりこれが可能になる。すなわち本発明の方法
に従い、シリコン上に１原子層以上のＣａＦ２をヘテロ
成長させ、この上に層状超伝導体物質であるＮｂＳｅ２
．ＮｂＳ２等をヘテロ成長させれば、上記の目的が達成
できる。層状物質であるＮ ｂ Ｓ ｅ２＋ Ｎ ｂ
Ｓｚ上には各種層状物質の単結晶膜を自由にエピタキシ
ャル成長できるので、この上にさらにＨｆＳｅｚ等の層
状絶縁物質及びＮｂＳｅｚ、Ｎｂ５ｚ等の層状超伝導物
質を成長させることにより、良質なジョセフソン接合並
びに５ＱＵＩＤ素子等の超伝導素子の作成が可能になる
。このようにしてシリコンを基板物質として用い、ある
いはシリコン集積回路素子上に超伝導素子を集積化でき
る。
この状態を第６図に示した。第６図において、１はダン
グリングボンドを終端した三次元物質３の界面を示し、
この界面１上に層状物質２を使った超伝導集積素子を被
着したものである。
グリングボンドを終端した三次元物質３の界面を示し、
この界面１上に層状物質２を使った超伝導集積素子を被
着したものである。
ＧａＡｓ、Ｉ ｎｌ−ｘＧａｘＡｓ＋−ｙＰｙ等のＩｎ
−Ｖ属及びその混晶並びにＺｎ５ｅ等の■−■属半導体
ならびにその混晶は、オプトエレクトロニクス素子材料
として重要な物質であるが、これらの物質の上に超伝導
体をヘテロエピタキシャル成長させることも、本発明で
初めて可能になる。すなわち本発明の手法に従い、Ｇａ
Ａｓ等の■−■属半導体表面上のダングリングボンドを
Ｓ原子で終端させ、この上に層状超伝導物質であるＮｂ
Ｓｅ。
−Ｖ属及びその混晶並びにＺｎ５ｅ等の■−■属半導体
ならびにその混晶は、オプトエレクトロニクス素子材料
として重要な物質であるが、これらの物質の上に超伝導
体をヘテロエピタキシャル成長させることも、本発明で
初めて可能になる。すなわち本発明の手法に従い、Ｇａ
Ａｓ等の■−■属半導体表面上のダングリングボンドを
Ｓ原子で終端させ、この上に層状超伝導物質であるＮｂ
Ｓｅ。
ＮｂＳ、等をヘテロ成長させ、上述のシリコンの場合と
同様に、その上に各種層状物質をヘテロ成長させること
によって、オブトエレトクロニクス集積回路素子上に超
伝導素子の集積化が可能になる。これを第６図に示す。
同様に、その上に各種層状物質をヘテロ成長させること
によって、オブトエレトクロニクス集積回路素子上に超
伝導素子の集積化が可能になる。これを第６図に示す。
２、半導体素子上の保護膜形成
層状物質の襞間面上にはダングリングボンドが現われな
いので、この面への気体分子の吸着係数は他の物質に比
べ極端に小さくなる。したがって保護膜として特に優れ
た特性が期待されるが、この目的のためには檗開面を表
面とする層状物質薄膜を形成することが必要となる。本
発明の方法によれば、各種半導体物質上に層状物質をヘ
テロエピタキシャル成長できるが、この時できる膜の表
面はちょうど襞間面となるので、上記の目的がまさに達
成できることになる。たとえばシリコン素子上ないしＧ
ａＡｓ素子上に、本発明の方法を使って、ＭｏＳｅ、、
Ｍｏ３２等の層状物質薄膜をヘテロ成長させ、保護膜と
して使うことが考えられる。
いので、この面への気体分子の吸着係数は他の物質に比
べ極端に小さくなる。したがって保護膜として特に優れ
た特性が期待されるが、この目的のためには檗開面を表
面とする層状物質薄膜を形成することが必要となる。本
発明の方法によれば、各種半導体物質上に層状物質をヘ
テロエピタキシャル成長できるが、この時できる膜の表
面はちょうど襞間面となるので、上記の目的がまさに達
成できることになる。たとえばシリコン素子上ないしＧ
ａＡｓ素子上に、本発明の方法を使って、ＭｏＳｅ、、
Ｍｏ３２等の層状物質薄膜をヘテロ成長させ、保護膜と
して使うことが考えられる。
この状態を第７図に示す。第７図において３１はダング
リングボンドを終端した界面、３２はシリコン集積素子
（またはオプトエレクトロニクス集積素子）、３３は層
状物質による保護膜を示す。
リングボンドを終端した界面、３２はシリコン集積素子
（またはオプトエレクトロニクス集積素子）、３３は層
状物質による保護膜を示す。
第１図は本発明のエピタキシャル成長状態を示す図、
第２図は本発明のエピタキシャル成長法を実施する装置
の一例の構成を示す図、 第３図は（ａ）、（ｂ）はＣａ Ｆ ｚ基板およびこの
基板上にＭｏＳｅｚを成長させたものの結晶の構造のＲ
ＨＥＥＤパターンを示す写真、第４図は本発明における
オーシュ電子分光スペクトルを測定した結果を示す図、 第５図は本発明における低速電子エネルギー損失分光ス
ベクＩ・ルを示す図、 第６図および第７図はそれぞれ本発明を応用し素子の一
例を示す図、 第８図はダングリングボンドの状態を示す図である。 Ｉ・・・ダングリングボンド Ａ、Ｂ・・・三次元物質 ２・・・三次元物質３・・
・二次元層状物質 ４・・・金蒸蒸発源５・・・Ｓｅ
蒸発源 ５Ａ・・・静電レンズ６・・・Ｍｏ蒸発
ａ ７，８・・・シャッター９・・・試料
１０・・・試料保持機構１１・・・円筒鏡型
電子エネルギー分析器１２・・・電子銃 ｉ３
・・・円筒鏡電極１４・・・電子増倍管 １５出力
端子１６・・・Ｒヒート電子銃 １７・・・Ｒヒートスクリーン １８・・・水晶発振式膜厚計 １９・・・液体窒素トランプ付油拡散ポンプ２０・・・
油回転ポンプ ２１・・・チタンサブリメーションポンプ２２・・・真
空ポンプ吸引口
の一例の構成を示す図、 第３図は（ａ）、（ｂ）はＣａ Ｆ ｚ基板およびこの
基板上にＭｏＳｅｚを成長させたものの結晶の構造のＲ
ＨＥＥＤパターンを示す写真、第４図は本発明における
オーシュ電子分光スペクトルを測定した結果を示す図、 第５図は本発明における低速電子エネルギー損失分光ス
ベクＩ・ルを示す図、 第６図および第７図はそれぞれ本発明を応用し素子の一
例を示す図、 第８図はダングリングボンドの状態を示す図である。 Ｉ・・・ダングリングボンド Ａ、Ｂ・・・三次元物質 ２・・・三次元物質３・・
・二次元層状物質 ４・・・金蒸蒸発源５・・・Ｓｅ
蒸発源 ５Ａ・・・静電レンズ６・・・Ｍｏ蒸発
ａ ７，８・・・シャッター９・・・試料
１０・・・試料保持機構１１・・・円筒鏡型
電子エネルギー分析器１２・・・電子銃 ｉ３
・・・円筒鏡電極１４・・・電子増倍管 １５出力
端子１６・・・Ｒヒート電子銃 １７・・・Ｒヒートスクリーン １８・・・水晶発振式膜厚計 １９・・・液体窒素トランプ付油拡散ポンプ２０・・・
油回転ポンプ ２１・・・チタンサブリメーションポンプ２２・・・真
空ポンプ吸引口
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、三次元物質の６回対称または３回対称をもつ結晶面
（立方対称を持つ結晶の場合は （１１１）面、六方対称を持つ結晶の場合は（０００１
）面）上の切れた結合手（以下ダングリングボンドと呼
ぶ）に、ヘテロエピタキシャル成長温度では除去されな
い原子を結合し終端しフリーボンドのない状態に処理す
る工程と、この面上に二次元物質を蒸着させ基板の三次
元物質の結晶軸方向に前記二次元層状物質の原子をファ
ンデアワールス力によって配列させながらエピタキシャ
ル成長させる工程との結合を特徴とする三次元物質上へ
の二次元物質のエピタキシャル成長法。 ２、三次元物質としての半導体基板の６回対称または３
回対称をもつ結晶面上の結合手をヘテロエピタキシャル
成長温度では除去されない原子と結合終端し、自由結合
手のない状態に処理する工程と、この処理を施した半導
体基板の面上に二次元物質である超伝導材料を蒸着させ
基板の結晶軸方向に前記超伝導材料の原子をファンデア
ワールス力によって配列させながらエピタキシャル成長
させる工程との結合を特徴とする半導体物質上への超伝
導材料のエピタキシャル成長法。 ３、ＣａＦ＿２（１１１）劈開面や、真空加熱面のよう
にはじめからタングリンクボンドが終端されている面を
用いる特許請求の範囲第１項又は第２項記載のエピタキ
シャル成長法。 ４、硫化物で処理したＧａＡｓ表面のように、タングリ
ンクボンドがＳ等の不純物原子によって規則正しく終端
され、かつそれが高温まで安定な面を用いる特許請求の
範囲第１項又は第２項記載のエピタキシャル成長法。 ５、三次元物質としてのＳｉ半導体の（１１１）結晶面
上にＣａＦ＿２をヘテロエピタキシャル成長させた後、
その表面に二次元層状物質を蒸着させ基板の結晶軸方向
に原子を配列させながらエピタキシャル成長させること
を特徴とする三次元物質上への二次元物質のエピタキシ
ャル成長法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63250716A JPH0758686B2 (ja) | 1988-10-04 | 1988-10-04 | 三次元物質上への二次元物質のヘテロエピタキシャル成長法 |
| US07/384,380 US5039626A (en) | 1988-10-04 | 1989-07-25 | Method for heteroepitaxial growth of a two-dimensional material on a three-dimensional material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63250716A JPH0758686B2 (ja) | 1988-10-04 | 1988-10-04 | 三次元物質上への二次元物質のヘテロエピタキシャル成長法 |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH0297485A true JPH0297485A (ja) | 1990-04-10 |
| JPH0758686B2 JPH0758686B2 (ja) | 1995-06-21 |
Family
ID=17211989
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP63250716A Expired - Lifetime JPH0758686B2 (ja) | 1988-10-04 | 1988-10-04 | 三次元物質上への二次元物質のヘテロエピタキシャル成長法 |
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| JP (1) | JPH0758686B2 (ja) |
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- 1988-10-04 JP JP63250716A patent/JPH0758686B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH0758686B2 (ja) | 1995-06-21 |
| US5039626A (en) | 1991-08-13 |
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