JPWO2017130974A1 - Silicon cluster super lattice - Google Patents

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Abstract

シリコンクラスターを用いて、導電体、半導体、絶縁体等を実現可能にし、さらに、半導体素子や、極薄の高強度薄膜を有する真空隔離窓を提供する。ダイヤモンド結晶構造を有するシリコンクラスターが、シリコン結晶構造の格子定数のほぼ4倍の格子定数をもつ体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子をなすことを特徴とするシリコンクラスター超格子である。また、ダイヤモンド結晶構造を有するシリコンクラスターが、2.043nm以上2.172nm以下の格子定数をもつ体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子をなすことを特徴とするシリコンクラスター超格子である。Silicon clusters are used to make conductors, semiconductors, insulators, etc. feasible, and to provide vacuum isolation windows with semiconductor elements and ultra-thin high-strength thin films. A silicon cluster characterized in that a silicon cluster having a diamond crystal structure is arranged in the shape of a body-centered cubic lattice structure having a lattice constant approximately four times the lattice constant of the silicon crystal structure to form a three-dimensional three-dimensional lattice. It is a super lattice. In addition, a silicon cluster having a diamond crystal structure is arranged in a shape of a body-centered cubic lattice structure having a lattice constant of 2.043 nm to 2.172 nm to form a three-dimensional three-dimensional lattice. It is a super lattice.

Description

本発明は、シリコンクラスターにより構成される超格子構造からなるシリコンクラスター超格子、並びに該シリコンクラスター超格子を備える半導体素子、電子デバイス、装置及び真空隔離窓素子に関する。   The present invention relates to a silicon cluster super lattice having a super lattice structure constituted by silicon clusters, and a semiconductor device, an electronic device, an apparatus, and a vacuum isolation window device provided with the silicon cluster super lattice.

近年、半導体産業を始めとする広い産業分野において、シリコンクラスターに関する開発が進められている。   In recent years, development of silicon clusters has been promoted in a broad industrial field including the semiconductor industry.

一般に固体材料の表面には「表面電子状態」が存在し、固体内部の電子状態とは異なる。シリコン結晶ではSi原子のsp3混成軌道によりダイヤモンド構造が結晶内部に形成される。結晶表面のSi原子の結合相手は2次元に限られるため、結晶内部の結晶周期配列は表面で途切れ、替って結晶表面には、その表面の結晶面方位に従って多様な結晶構造(以下、「表面超構造」ともいう。)が現れる。この表面超構造により結晶表面固有の電子状態(以下、「表面電子状態」ともいう。)が形成され、従来から詳しく調べられてきた。表面結晶構造はまた他の原子吸着によって構造相転移が生じ、それに応じて表面電子状態も変化する。例えば異種元素吸着によって電気伝導特性を規定する電子輸送に大きな変化が見られるなど、シリコン結晶には表面固有の物性が現れる。In general, a "surface electronic state" exists on the surface of a solid material, which is different from the electronic state inside the solid. In silicon crystals, a diamond structure is formed inside the crystal by the sp 3 hybrid orbital of Si atoms. Since the bonding partner of Si atoms on the crystal surface is limited to two dimensions, the crystal periodic arrangement inside the crystal is broken at the surface, and instead, the crystal surface has various crystal structures according to the crystal plane orientation of the surface (hereinafter It is also called "surface superstructure". This surface superstructure forms an electronic state unique to the crystal surface (hereinafter also referred to as "surface electronic state"), which has been studied in detail. The surface crystal structure also undergoes a structural phase transition due to the adsorption of other atoms, and the surface electronic state changes accordingly. For example, physical properties unique to the surface appear in silicon crystals, such as a large change in electron transport that defines the electrical conductivity due to adsorption of foreign elements.

シリコンクラスターに関連して、本発明者はこれまで研究開発を進め、報告している(特許文献1、2、3、非特許文献1、2参照)。例えば、特許文献1及び非特許文献1では、シリコンクラスターを気相中で時空間閉じ込め法で生成する方法等を示した。特許文献2、3では、シリコンクラスター粒子が三次元的に周期配列した集合体からなる太陽電池について示した。また、非特許文献2では、シリコンクラスターの超格子構造等について示した。   In relation to silicon clusters, the inventor of the present invention has conducted research and development so far and has reported them (see Patent Documents 1, 2, 3 and Non-patent Documents 1 and 2). For example, Patent Document 1 and Non-patent Document 1 show a method of generating silicon clusters in a gas phase by a space-time confinement method. Patent documents 2 and 3 showed about the solar cell which consists of an assembly which silicon cluster particles arranged three-dimensionally periodically. Further, Non-Patent Document 2 shows the super lattice structure of silicon clusters and the like.

特許5273495号公報Patent No. 5273495 特許5582638号公報Patent 552638 gazette 国際公開2013/027717号公報International Publication 2013/027717

“Narrow size-distributed silicon cluster beam generated using a spatiotemporal confined cluster source”, Iwata, Y.; et al. Chem. Phys. Lett. (2002) 358, 36-42."Narrow size-distributed silicon cluster generated using a spatiotemporal confined cluster source", Iwata, Y .; et al. Chem. Phys. Lett. (2002) 358, 36-42. “Crystallographic Coalescence of Crystalline Silicon Clusters into Superlattice Structures”, Yasushi Iwata, Kanako Tomita, Takeyuki Uchida, and Hirofumi Matsuhata, Crystal Growth & Design (2015) 15, 2119-2128.“Crystallographic Coalescence of Crystalline Silicon Clusters into Superlattice Structures”, Yasushi Iwata, Kanako Tomita, Takeyuki Uchida, and Hirofumi Matsuhata, Crystal Growth & Design (2015) 15, 2119-2128.

半導体産業を始めとする広い産業分野における多様な産業ニーズに応える半導体材料として、シリコン結晶表面の多彩な表面物性を利用することを思考した場合、それが基本的な物性原理に従って困難であることの課題にたちまち直面する。一般に固体材料の物性は圧倒的に固体内部の電子状態で規定される。表面電子状態は固体表面に存在する原子が形成する電子状態であり、電子のエネルギー準位当りに存在する電子状態の数(以下、「電子状態密度」ともいう。単位[eV-1])はその表面原子の数に比例する。当然ながら、原子層数層(厚さにして数nm)の極めて薄い薄膜材料を除いて、表面電子状態の状態密度は固体内部の電子状態密度に比べて極めて小さい。従って表面電子状態が固体材料の物性を支配することはなく、電子状態密度が圧倒的に高い固体内部の電子状態によって固体材料の物性は規定される。更に電子状態密度が単に高いだけではなく、実際に電子が安定してその電子状態を取り得るような、すなわち電子の波数を規定するブロッホ波が形成されるべく周期性をもった結晶格子構造に基づく電子状態を形成しなければ、その材料の物性を規定することにはならない。例えば表面積の大きい多孔質材料や格子欠陥を多数内蔵する金属ボイドなどでは、間隙表面や空隙の内面などの不規則な表面構造が固体内部に形成されるが、これらの表面原子が電子の波数を規定するものではなく、これらの表面構造によって電気特性を制御し得るものではない。When considering using various surface physical properties of silicon crystal surface as semiconductor materials to meet various industrial needs in a wide range of industrial fields including the semiconductor industry, it is difficult according to the basic physical physical property principle I immediately face the challenge. In general, the physical properties of solid materials are overwhelmingly specified by the electronic state inside the solid. The surface electronic state is an electronic state formed by an atom present on the solid surface, and the number of electronic states per energy level of the electron (hereinafter, also referred to as “electron density of states. Unit [eV −1 ]) is It is proportional to the number of surface atoms. Naturally, the density of states of surface electronic states is extremely small compared to the density of electronic states in a solid, except for an extremely thin thin film material having an atomic layer number (a few nm in thickness). Therefore, the surface electronic state does not control the physical properties of the solid material, and the physical state of the solid material is defined by the electronic state inside the solid whose density of electronic states is overwhelmingly high. Furthermore, not only the electronic density of states is simply high, but in fact, the electron can be stabilized stably to take the electronic state, that is, a crystal lattice structure having periodicity to form a Bloch wave that defines the wave number of the electron. If it does not form an electronic state based on it, it does not define the physical properties of the material. For example, in the case of a porous material having a large surface area or a metal void incorporating a large number of lattice defects, an irregular surface structure such as a gap surface or the inner surface of a gap is formed inside a solid, but these surface atoms It is not specified, and the electrical properties can not be controlled by these surface structures.

もし結晶表面固有の電子状態が電子の波数を規定し、その物性を支配する材料が創製されれば、結晶表面状態の多彩な物性を活かして、機能性の高い、社会有数の技術が誕生する。そのためには電子状態密度が高く、周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態の創出が求められる。   If the electron state unique to the crystal surface defines the wave number of the electron and a material that governs the physical properties is created, a highly functional, socially significant technology will be born taking advantage of the various physical properties of the crystal surface state. . For this purpose, it is required to create a surface electronic state having a stable crystal structure with high electronic state density and high periodicity.

従来、本発明者の研究開発等により、微小シリコンクラスターが基板上で規則正しく配列する際、光照射による電磁気的な力やミクロな探針による機械的力など外的な力を借りずに、粒子が秩序構造を形成すること(自発的なナノ構造秩序の形成)が知られている。ここで、微小シリコンクラスターが自発的にナノ構造秩序を形成するメカニズムとして、以下の2つの過程が考えられてきた。一つは、クラスター粒子が結晶基板上に着地すると、粒子は基板表面の原子配列を歪ませる。基板表面上に複数の粒子が存在する場合、基板表面の結晶格子はなるべく原子配列の歪みを緩和するため、歪構造は均等な配置に変化する。この基板表面の歪み緩和に伴って、基板上の粒子も均等に配置して秩序構造を形成する。二つ目は、基板上のクラスター粒子は基板との間で僅かな電子のやり取りをして、双極子と呼ばれる電荷分布の偏りがクラスター粒子に生じる。双極子はクラスター粒子間に分散力と称する弱い相互作用を誘起し、その結果粒子の配列が均等になり、基板上に秩序構造を形成する。前者は基板とクラスター粒子との相互作用によって、比較的クラスター粒子間の距離が離れて形成される秩序構造である。これまでに分子線エピタキシーによって基板表面上で形成されるクラスターにおいて確認されている。また後者はクラスター粒子が互いに比較的接近した場合に粒子間に作用する弱い相互作用によって秩序構造を形成するものであるが、クラスター同士が接することは無く、従って形成される秩序構造の電子状態は、独立したクラスター粒子が個々に形成する電子状態の和で以てほぼ表される。
さらに、新規なシリコンクラスターからなるナノ構造秩序形成が望まれる。
次に具体的に説明する。
Conventionally, when minute silicon clusters are regularly arranged on a substrate by research and development of the present inventor etc., particles do not rely on external force such as electromagnetic force by light irradiation or mechanical force by micro probe. Is known to form ordered structure (spontaneous formation of nanostructured order). Here, the following two processes have been considered as a mechanism by which micro silicon clusters spontaneously form nanostructured order. First, when cluster particles land on the crystal substrate, the particles distort the atomic arrangement on the substrate surface. When a plurality of particles are present on the substrate surface, the strained structure changes to a uniform arrangement because the crystal lattice on the substrate surface mitigates distortion of atomic arrangement as much as possible. Along with the strain relaxation of the substrate surface, the particles on the substrate are also evenly arranged to form an ordered structure. Second, the cluster particles on the substrate exchange a small amount of electrons with the substrate, and a bias of charge distribution called dipole occurs in the cluster particles. The dipoles induce weak interactions, called dispersive forces, between the cluster particles, resulting in uniform particle alignment and an ordered structure on the substrate. The former is an ordered structure in which the distance between cluster particles is relatively formed by the interaction between the substrate and the cluster particles. To date, molecular beam epitaxy has been identified in clusters formed on the substrate surface. Also, the latter forms an ordered structure by weak interaction acting between the cluster particles when they are relatively close to each other, but the clusters do not contact each other, so the electronic state of the formed ordered structure is The individual cluster particles are approximately represented by the sum of electronic states formed individually.
Furthermore, the formation of nanostructure order consisting of novel silicon clusters is desired.
Next, it demonstrates concretely.

シリコンクラスター(SiNクラスター)を気相中で時空間閉じ込め法(特許文献1、非特許文献2)によって生成し、シリコンクラスタービームを真空中で直接グラフェン基板に蒸着すると、シリコンクラスター超格子が形成される。図1(a)(b)に、シリコンクラスター超格子の結晶構造を示す。シリコンクラスター超格子は、SiNクラスターそれ自体が個々にダイヤモンド結晶構造をもち、隣接するSiNクラスター同士が互いに結合して体心立方格子構造(BCC構造)を形成して3次元的に広がる超格子構造を形成する(図1(a)参照)。高分解電子顕微鏡を利用して、グラフェン基板の結晶構造を基にシリコンクラスター超格子の結晶構造を解析すると、SiNクラスターのもつダイヤモンド結晶構造は、単結晶シリコンが形成するダイヤモンド結晶構造の格子定数a=5.43095Åにほぼ等しい格子定数をもつ。SiNクラスターがグラフェン基板上で超格子構造を形成する初期の過程では、グラフェンの結晶格子に沿ってSiNクラスターが配列し、六方最密充填構造(HCP構造)を形成する(図1(b)参照)。SiNクラスターの蒸着が進みSiNクラスターの堆積量が増加するに従ってSiNクラスターが直接グラフェン基板に接することが無くなると、SiNクラスターはグラフェン基板の結晶構造に影響されずに独自に安定なBCC超格子構造を形成する。BCC超格子構造の格子定数はグラフェン基板の結晶構造を基に決定され、2.134±0.002nmである(非特許文献2参照)。初期のHCP超格子構造についても同様に格子定数が決まり、BCC超格子構造の格子定数と同じ値をもつ。When silicon clusters (Si N clusters) are generated in the gas phase by the space-time confinement method (Patent Document 1, Non-patent Document 2) and a silicon cluster beam is deposited directly on a graphene substrate in vacuum, a silicon cluster superlattice is formed Be done. The crystal structure of a silicon cluster superlattice is shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). In silicon cluster superlattices, Si N clusters themselves individually have a diamond crystal structure, and adjacent Si N clusters combine with each other to form a body-centered cubic lattice structure (BCC structure) to expand three-dimensionally. A lattice structure is formed (see FIG. 1 (a)). When the crystal structure of silicon cluster superlattice is analyzed based on the crystal structure of graphene substrate using high resolution electron microscope, the diamond crystal structure possessed by Si N cluster is the lattice constant of the diamond crystal structure formed by single crystal silicon It has a lattice constant approximately equal to a = 5.43095 Å. In the initial process of Si N clusters forming a superlattice structure on a graphene substrate, Si N clusters are arranged along a graphene crystal lattice to form a hexagonal close-packed structure (HCP structure) (FIG. 1 (b )reference). Si N when it is no longer Si N clusters in direct contact with the graphene substrate as the amount of deposition proceeds Si N clusters deposition of clusters is increased, Si N clusters graphene substrate uniquely stable BCC without being affected by the crystal structure of Form a superlattice structure. The lattice constant of the BCC superlattice structure is determined based on the crystal structure of the graphene substrate and is 2.134 ± 0.002 nm (see Non-Patent Document 2). The lattice constant is similarly determined for the initial HCP superlattice structure, and has the same value as the lattice constant of the BCC superlattice structure.

シリコンクラスターの超格子の構造において、電子状態密度が高く、周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態の実現が望まれる。   In the structure of the super lattice of silicon clusters, it is desirable to realize surface electronic states having a stable crystal structure with high electronic state density and high periodicity.

また、シリコンクラスター超格子の利用分野として、半導体素子や、その他の分野への応用が望まれる。   In addition, as application fields of silicon cluster superlattices, applications to semiconductor devices and other fields are desired.

ところで、放射線ビーム(量子ビーム)の利用の歴史は160年に及び、電子、陽子、重イオンの電離作用により、ナノ材料創製、突然変異育種、放射線ビーム治療の最先端の利用技術が進められている。特に後者2つの分野では、ビームを大気中に取り出す必要があり、ビーム加速・輸送を行う真空とビーム照射を行う大気中とを隔て且つ量子ビームの透過を可能にする真空隔壁薄膜窓(以下、「真空窓」ともいう。)技術が必要になる。放射線ビーム利用技術の高度化に伴い、真空隔壁薄膜はビーム透過における影響を極力低く抑える必要がある。そのために、薄く、耐真空圧力の機械的強度、放射線損傷に強い特性が求められる。近年ではまた電子、陽子、重イオンに次ぐ第4の量子ビームとして、複数の原子で構成されるナノクラスターイオンを高エネルギーに加速する技術が注目され、その圧倒的に高い電離作用は、今後新たな放射線ビーム利用分野を拓くとして期待されている。高エネルギークラスターイオンの大気中への取り出しには、100nmに満たない極薄の高強度薄膜が求められるが、従来薄膜技術でその要求に応えることは到底困難であった。   By the way, the history of the use of radiation beam (quantum beam) is extended to 160 years, and the state-of-the-art application technology of nanomaterial creation, mutation breeding, radiation beam treatment is advanced by the ionization action of electrons, protons and heavy ions There is. In the latter two fields in particular, it is necessary to take the beam into the atmosphere, and a vacuum partition thin film window (hereinafter referred to as “the beam”) that separates the vacuum for beam acceleration and transport from the atmosphere for beam irradiation and allows the transmission of quantum beams. Also called "vacuum window") technology is required. With the advancement of radiation beam technology, it is necessary for the vacuum bulkhead thin film to minimize the influence on the beam transmission. Therefore, it is required to be thin and have mechanical strength against vacuum pressure and resistance to radiation damage. In recent years, a technology that accelerates nanocluster ions composed of multiple atoms to high energy as a fourth quantum beam next to electrons, protons, and heavy ions is also attracting attention, and its overwhelmingly high ionization action is expected to become new in the future Is expected to open up new fields of radiation beam application. For the removal of high energy cluster ions into the atmosphere, a very thin thin film of less than 100 nm is required, but it has been extremely difficult for conventional thin film technology to meet the demand.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、新規なシリコンクラスター超格子を提供することを目的とする。また、本発明は、電子状態密度が高く、周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態を備えるシリコンクスター超格子を提供することを目的とする。また、本発明は、前記シリコンクラスター超格子を備える半導体素子や電子デバイスや装置を提供することを目的とする。また、本発明は、前記シリコンクラスター超格子を備える真空窓を提供することを目的とする。   The present invention seeks to solve these problems, and it is an object of the present invention to provide novel silicon cluster superlattices. Another object of the present invention is to provide a silicon stellar superlattice having a surface electronic state having a stable crystal structure with a high electronic state density and a high periodicity. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device, an electronic device and an apparatus comprising the silicon cluster superlattice. Another object of the present invention is to provide a vacuum window comprising the silicon cluster superlattice.

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。   The present invention has the following features to achieve the above object.

本発明は、シリコンクラスター超格子に関し、ダイヤモンド結晶構造を有するシリコンクラスターが、シリコン結晶構造の格子定数のほぼ4倍の格子定数をもつ体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子をなすことを特徴とする。
本発明は、シリコンクラスター超格子に関し、ダイヤモンド結晶構造を有するシリコンクラスターが、2.043nm以上2.172nm以下の格子定数をもつ体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子をなすことを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シリコンクラスター超格子は、前記シリコンクラスター同士接して形成する界面以外のシリコンクラスターの表面が3次元的に連続して連なり、該表面で囲まれた間隙空間が超格子内に形成されている。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シリコンクラスター超格子は、前記シリコンクラスターを構成するSiの原子数が200以上256以下であることが好ましい。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シリコンクラスター超格子は、前記シリコンクラスターを構成するSiの原子数が200以上235以下であり、キャリア伝導性を備えることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、本発明の前記シリコンクラスター超格子を半導体として備える半導体素子である。
本発明の他の好ましい実施形態は、本発明の前記シリコンクラスター超格子を導電体として備える電子デバイスである。
本発明の他の好ましい実施形態は、本発明の前記シリコンクラスター超格子を備える電子デバイスである。
本発明の他の好ましい実施形態は、本発明の前記シリコンクラスター超格子からなる薄膜を備える装置である。
本発明の他の好ましい実施形態は、本発明の前記シリコンクラスター超格子からなる薄膜を備える真空隔離窓である。また、前記シリコンクラスター超格子からなる薄膜を備える真空隔離窓を放射線照射装置に設けるとよい。
The present invention relates to a silicon cluster superlattice, in which a silicon cluster having a diamond crystal structure is arranged in the shape of a body-centered cubic lattice structure having a lattice constant approximately four times the lattice constant of the silicon crystal structure. It is characterized by forming a grid.
The present invention relates to a silicon cluster superlattice, in which a silicon cluster having a diamond crystal structure is arranged in the shape of a body-centered cubic lattice structure having a lattice constant of 2.043 nm to 2.172 nm to form a three-dimensional three-dimensional lattice. It is characterized by eggplants.
In a preferred embodiment of the present invention, in the silicon cluster superlattice, surfaces of silicon clusters other than an interface formed by contacting the silicon clusters are three-dimensionally continuously connected, and a gap space surrounded by the surfaces is It is formed in the superlattice.
In a preferred embodiment of the present invention, in the silicon cluster superlattice, the number of Si atoms constituting the silicon cluster is preferably 200 or more and 256 or less.
In a preferred embodiment of the present invention, the silicon cluster superlattice preferably has a carrier conductivity, in which the number of atoms of Si constituting the silicon cluster is 200 or more and 235 or less.
A preferred embodiment of the present invention is a semiconductor device comprising the silicon cluster superlattice of the present invention as a semiconductor.
Another preferred embodiment of the present invention is an electronic device comprising the silicon cluster superlattice of the present invention as a conductor.
Another preferred embodiment of the present invention is an electronic device comprising said silicon cluster superlattice of the present invention.
Another preferred embodiment of the present invention is a device comprising a thin film consisting of said silicon cluster superlattice of the present invention.
Another preferred embodiment of the present invention is a vacuum isolation window comprising a thin film consisting of said silicon cluster superlattice of the present invention. In addition, it is preferable to provide the radiation irradiating apparatus with a vacuum isolation window including a thin film made of the silicon cluster superlattice.

「シリコン結晶構造の格子定数のほぼ4倍の格子定数」は、Si202の場合の格子定数2.043nmの場合を含むように、4−0.25倍以上4+0倍以下程度が望ましい。さらに、好ましくは3.8倍以上、最も好ましくは3.9倍以上の格子定数である。
シリコンクラスター超格子の体心立方格子構造の格子定数は、2.043nm以上2.172nm以下であることが望ましく、好ましくは2.133nm以上2.167nm以下の格子定数である。
シリコンクラスターを構成するSiの原子数が200以上256以下であることが望ましく、好ましくは202以上、最も好ましくは211以上である。具体例として、Siの原子数が211と235が挙げられる。
It is desirable that “a lattice constant of about 4 times the lattice constant of the silicon crystal structure” be about 4-0.25 times or more and 4 + 0 times or less so as to include the case of the lattice constant of 2.043 nm in the case of Si 202 . Furthermore, the lattice constant is preferably 3.8 times or more, and most preferably 3.9 times or more.
The lattice constant of the body-centered cubic lattice structure of the silicon cluster superlattice is desirably 2.043 nm or more and 2.172 nm or less, preferably 2.133 nm or more and 2.167 nm or less.
The number of atoms of Si constituting the silicon cluster is desirably 200 or more and 256 or less, preferably 202 or more, and most preferably 211 or more. As a specific example, the number of atoms of Si is 211 and 235.

本発明のシリコンクラスター超格子では、表面同士が接するシリコンクラスター間にSi原子同士が共有結合する界面が形成され、該界面を通じてシリコンクラスター内部のダイヤモンド結晶構造が、接するシリコンクラスターにわたり原子配列が乱れることなく連続して形成される。シリコンクラスター同士接して形成する前記界面以外のシリコンクラスターの表面は接するシリコンクラスターにわたり連続して連なり、該表面によって3次元的に網目状に広がる間隙空間が超格子内に形成されている。   In the silicon cluster superlattice of the present invention, an interface in which Si atoms are covalently bonded is formed between silicon clusters in which surfaces are in contact with each other, and the diamond crystal structure inside the silicon clusters is disordered in atomic arrangement across the silicon clusters in contact. It is formed continuously. The surfaces of the silicon clusters other than the interface formed in contact with the silicon clusters are continuously connected to each other over the contacting silicon clusters, and the surfaces form a three-dimensionally mesh-like gap space in the superlattice.

本発明のシリコンクラスター超格子は、シリコンクラスターのSi原子が異種元素で置換されたものも含む。異種元素として、水素、酸素、窒素、ホウ素、リン等が挙げられる。また従来Si半導体材料では極力排除される金属元素を始めとする不純物に対して一定水準の低レベル純度に含有されることが許容できる。   The silicon cluster superlattice of the present invention also includes those in which Si atoms of the silicon cluster are replaced with different elements. As different elements, hydrogen, oxygen, nitrogen, boron, phosphorus and the like can be mentioned. In addition, in conventional Si semiconductor materials, it can be tolerated that impurities such as metal elements which are excluded as much as possible are contained in a certain level of low level purity.

具体的には、真空隔離窓は、少なくともグラフェンとシリコンクラスター超格子からなる薄膜の積層構造とすることができる。   Specifically, the vacuum isolation window can be a laminated structure of thin films consisting of at least graphene and a silicon cluster superlattice.

本発明によれば、シリコンクラスター超格子において、電子状態密度が高く、周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態を実現できた。また、本発明のSiNクラスター超格子により、初めて電子状態密度の高い、超格子材料の物性を規定する3次元表面構造を実現できた。本発明のSiNクラスター超格子では、該3次元表面構造が一様な結晶周期性を以て無限に広がった構造をもつため、固体内部の不純物の影響を受けることなく、優れた電気伝導特性を有する。According to the present invention, in a silicon cluster superlattice, it is possible to realize a surface electronic state having a stable crystal structure with a high electronic state density and a high periodicity. In addition, with the Si 3 N cluster superlattice of the present invention, it is possible to realize, for the first time, a three-dimensional surface structure that defines the physical properties of a superlattice material having a high density of electronic states. In the Si 3 N cluster superlattice of the present invention, the three-dimensional surface structure has an infinitely extended structure with uniform crystal periodicity, so it has excellent electrical conductivity without being affected by impurities in the solid. .

シリコンクラスターSiNのクラスターサイズNを、200以上256以下の範囲内のものに特定することにより、Nの値に応じて、電気伝導性が絶縁性から導電性まで異なるので、所望の電気特性のシリコンクラスター超格子を実現できる。By specifying the cluster size N of silicon clusters Si N to be in the range of 200 or more and 256 or less, the electrical conductivity varies from insulation to conductivity depending on the value of N. A silicon cluster superlattice can be realized.

本発明のシリコンクラスター超格子からなる薄膜は、半導体特性を有し、p型又はn型に相当する特性を備える膜が作製可能である。シリコンクラスター超格子からなる薄膜でpn接合を作製可能であり、ダイオードに好適である。   The thin film comprising the silicon cluster superlattice of the present invention has semiconductor characteristics, and a film having characteristics corresponding to p-type or n-type can be produced. A pn junction can be made of a thin film composed of a silicon cluster superlattice, which is suitable for a diode.

本発明のシリコンクラスター超格子からなる薄膜は、極薄で高強度である。グラフェン上にシリコンクラスター超格子を形成した積層構造とすれば、放射線を透過する真空隔離窓に好適である。   The thin film comprising the silicon cluster superlattice of the present invention is extremely thin and has high strength. A layered structure in which silicon cluster superlattices are formed on graphene is suitable for a vacuum isolation window that transmits radiation.

従来技術の結晶表面上に形成されるナノ構造秩序やコロイドナノ粒子による自己秩序形成の場合はナノ粒子間の相互作用が極めて弱いため、形成される超格子全体の物性をナノ構造秩序のみによって安定に規定することには物理原理上限界があった。本発明のシリコンクラスター超格子技術では、電子状態密度が高く周期性の高い安定した結晶構造が形成されることで超格子の物性を安定に規定することが可能であり、これが功を奏して幅広い産業ニーズへの利用が広がる。   In the case of the nanostructured order formed on the crystal surface of the prior art and the self-ordering formation by the colloidal nanoparticles, the interaction between the nanoparticles is extremely weak, so the physical properties of the entire formed superlattice are stabilized only by the nanostructured order There is a limit in the physical principle to define in. In the silicon cluster superlattice technology of the present invention, it is possible to stably define the physical properties of the superlattice by the formation of a stable crystal structure having a high electronic density of states and high periodicity, which is successful and wide Expanded use for industrial needs.

本発明のSiNクラスター超格子は、その表面に3配位Si原子と4配位Si原子とが存在し、特に3配位Si原子との異種元素の吸着反応もしくは異種元素との置換反応によって電子状態に大きな変化が生じるため、吸着元素や置換元素を選択調整することで、SiNクラスター超格子のp型半導体、n型半導体状態を形成することが可能である。両者のpn接合により、半導体素子の基本であるダイオードが形成され、不純物に強い省エネルギーSi材料を基に、バリエーション豊かな表面を利用した優れた半導体素子を実現できる。In the Si N cluster superlattice of the present invention, three coordinated Si atoms and four coordinated Si atoms are present on the surface, and in particular, by adsorption reaction of different elements with three coordinate Si atoms or substitution reaction with different elements Since a large change occurs in the electronic state, it is possible to form a p-type semiconductor or n-type semiconductor state of the Si 3 N cluster superlattice by selectively adjusting the adsorption element or the substitution element. Both pn junctions form a diode, which is the basis of a semiconductor device, and an excellent semiconductor device can be realized using a surface that is rich in variations based on an energy saving Si material that is resistant to impurities.

シリコンクラスター超格子の結晶構造を示す図であり、(a)はBCC構造、(b)はHCP構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of a silicon cluster superlattice, (a) is a BCC structure, (b) is a figure which shows HCP structure. SiNクラスターのBCC超格子構造を示す図であり、(a)はBCC超格子構造、(b)はその単位胞を説明するための図である。It is a figure which shows the BCC superlattice structure of a Si N cluster, (a) is a BCC superlattice structure, (b) is a figure for demonstrating the unit cell. (a)はSi211クラスター超格子の単位胞、(b)はSi235クラスター超格子の単位胞を示す図である。(A) is a figure which shows the unit cell of Si 211 cluster superlattice, (b) is a unit cell of a Si 235 cluster superlattice. Si211クラスター超格子のBCC超格子の慣用単位胞内のSi原子の構造を示す図であり、(b)は(a)の矢視Aから見える四面体表面構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of Si atom in the conventional unit cell of the BCC superlattice of a Si 211 cluster superlattice, (b) is a figure which shows the tetrahedron surface structure which can be seen from arrow A of (a). BCC超格子構造の(110)面に沿って電子密度分布を求めた結果を示す図であり、(a)はSi211クラスター超格子、(b)はSi235クラスター超格子、(c)は単結晶シリコンについての図である。It is a figure which shows the result of calculating | requiring the electron density distribution along the (110) plane of a BCC super lattice structure, (a) is a Si 211 cluster super lattice, (b) is a Si 235 cluster super lattice, (c) is a single It is a figure about crystalline silicon. Si211クラスター超格子についての図であり、(a)はバンド構造、(b)はDOSを示す図である。It is a figure about Si 211 cluster super lattice, (a) is a band structure and (b) is a figure showing DOS. Si235クラスター超格子についての図であり、(a)はバンド構造、(b)はDOSを示す図である。It is a figure about Si 235 cluster super lattice, (a) is a band structure and (b) is a figure showing DOS. Si211クラスター超格子についてのPDOSの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of PDOS about Si 211 cluster super lattice. Si235クラスター超格子についてのPDOSの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of PDOS about Si 235 cluster super lattice. SiNクラスター超格子の電子状態を高分解電子顕微鏡により観測した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having observed the electronic state of a Si 3 N cluster superlattice by a high resolution electron microscope. SiNクラスター超格子のEELSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the EELS spectrum of Si N cluster super lattice. 単結晶シリコン(c−Si)、Si235クラスター超格子、Si211クラスター超格子のDOSを示す図である。It is a figure which shows DOS of a single crystal silicon (c-Si), a Si 235 cluster superlattice, and a Si 211 cluster superlattice. 第1の実施の形態における、Si211クラスター超格子のクラスター中心のSi原子1個をBと置換した場合のDOSを示す図である。It is a figure which shows DOS at the time of substituting 1 Si atom of the cluster center of Si 211 cluster superlattice with B in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における、Si211クラスター超格子の表面原子である3配位Si原子1個をBと置換した場合のDOSを示す図である。It is a figure which shows DOS at the time of substituting one 3-coordinate Si atom which is a surface atom of a Si 211 cluster superlattice with B in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における、Si211クラスター超格子への異種元素吸着を説明する図であり、(a)は反応の進行を説明する図、(b)は二種類の反応エネルギーダイアグラムを示す図である。It is a figure explaining foreign element adsorption to Si 211 cluster super lattice in a 1st embodiment, (a) is a figure explaining progress of reaction, (b) is a figure showing two kinds of reaction energy diagrams It is. 第1の実施の形態における、Si211クラスター超格子表面へのH2分子吸着に対してDOSの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of DOS with respect to H 2 molecule adsorption | suction to the Si 211 cluster super lattice surface in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における、Si211クラスター超格子表面へのO2分子吸着に対してDOSの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of DOS with respect to O 2 molecule adsorption | suction to the Si 211 cluster super lattice surface in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における、SiNクラスター超格子を用いた表面型ダイオードの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the surface type diode using a Si N cluster super lattice in a 1st embodiment. 第2の実施の形態における、シリコンクラスター超格子を備える真空窓の構造を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the structure of a vacuum window provided with a silicon cluster superlattice in the second embodiment. 第2の実施の形態における、真空窓を真空配管等に取り付ける構造を示す図である。It is a figure which shows the structure which attaches a vacuum window to vacuum piping etc. in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における、グリッド台座の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a grid base in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における、グリッド台座にシリコンクラスター超格子真空窓をレーザービーム溶接により取り付ける様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a silicon cluster super lattice vacuum window is attached to a grid base by laser beam welding in 2nd Embodiment.

本発明の実施の形態について以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明者は、シリコンクラスター超格子の構造体において、シリコンクラスターによる超格子構造の電子状態に着目して研究開発を行い、電子状態密度が高く周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態を実現するに到ったものである。   In the structure of silicon cluster superlattice, the present inventor conducts research and development focusing on the electronic state of the superlattice structure by silicon cluster, and a surface electronic state having a stable crystal structure with high electronic density and high periodicity. To achieve the

従来のナノ構造秩序に対して、本発明のSiクラスター超格子では、Siクラスター同士が接して界面を形成し、その界面を通して一様な結晶構造が連続して連なり、Siクラスターが3次元的秩序構造を形成する新たなナノ構造秩序形成である。3次元的に広がる超格子に一様な結晶構造が連続して連なることにより、Siクラスターの間隙空間に面するSiクラスター表面も連続して一様に連なり、3次元的に広がる巨大な結晶表面を形成する。その表面電子状態は、クラスター内部と同様に高い状態密度を持ち、Siクラスター超格子の電子状態を規定する大きい役割を果たしている。   In contrast to the conventional nanostructural order, in the Si cluster superlattice of the present invention, the Si clusters are in contact with each other to form an interface, through which the uniform crystal structure is continuously connected, and the Si clusters are three-dimensionally ordered. It is a new nanostructure formation which forms a structure. The continuous connection of the uniform crystal structure to the three-dimensionally extending super lattice allows the Si cluster surface facing the gap space of the Si cluster to be continuously and uniformly continued, and the three-dimensionally expanding giant crystal surface Form The surface electronic state has the same high density of states as the inside of the cluster, and plays a large role in defining the electronic state of the Si cluster superlattice.

本発明では、シリコンクラスターの超格子構造に形成される「3次元表面」を初めて実現した。前記3次元表面は、サイズが規定され、sp3ダイヤモンド様結晶構造をもつシリコンクラスターが、体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子を形成し、隣接するクラスター同士がsp3共有結合によって互いに癒合する(coalescence)ことにより、シリコンクラスターの表面が連続して連なり、シリコンクラスターの表面が3次元格子に沿って立体的に広がり、3次元表面を形成する。より具体的には、本発明では、前記3次元表面は、シリコンクラスター超格子内に形成される極めて狭い間隙に、シリコンクラスターの表面が連続して連なることで形成され、シリコンクラスター超格子において3次元表面が占める割合、即ち3次元表面を形成するSi原子数の割合が大きいことを特徴とする。更にサイズが揃ったシリコンクラスターが互いに癒合しながら超格子を形成して周期性を以て配列することにより、そのクラスター表面は長距離に亙る周期性をもって3次元表面を形成することを特徴とする。以上の二つの条件が揃い、初めて、シリコンクラスター超格子における3次元表面は、電子状態密度が結晶固体中における電子状態密度と同程度に極めて高く、その表面電子状態がシリコンクラスター超格子の電子物性で優位になることが可能になった。従来の、固体中に空隙が形成される材料として知られるポーラス材料や結晶中の格子欠陥では、上記二つの条件が揃うことが無いため、材料の空隙に形成される表面の電子状態がその材料の電子物性を支配することは無い。In the present invention, the "three-dimensional surface" formed in the super lattice structure of silicon clusters is realized for the first time. The three-dimensional surface is defined in size, and silicon clusters having an sp 3 diamond-like crystal structure are arranged in the shape of a body-centered cubic lattice structure to form a three-dimensional three-dimensional lattice, and adjacent clusters are sp By coalescing each other by 3 covalent bonds, the surfaces of the silicon clusters are continuously connected, and the surfaces of the silicon clusters extend sterically along the three-dimensional lattice to form a three-dimensional surface. More specifically, in the present invention, the three-dimensional surface is formed by continuously connecting the surfaces of silicon clusters in a very narrow gap formed in the silicon cluster superlattice, and the three-dimensional surface in the silicon cluster superlattice It is characterized in that the proportion occupied by the dimensional surface, that is, the proportion of the number of Si atoms forming the three-dimensional surface is large. Furthermore, by aligning silicon clusters with uniform sizes while forming superlattices and bonding them together, the cluster surface is characterized in that it forms a three-dimensional surface with periodicity over a long distance. For the first time, the three-dimensional surface of a silicon cluster superlattice has the electronic state density as high as that of the electronic state density in a crystalline solid, and the surface electronic state is the electronic properties of the silicon cluster superlattice. It became possible to become superior at In a conventional porous material known as a material in which a void is formed in a solid or a lattice defect in a crystal, the above two conditions are not met, so the surface electronic state formed in the void of the material is the material Do not control the electronic properties of

本発明の実施の形態におけるシリコンクラスター超格子の3次元表面には、次のような特徴的な性質が挙げられる。
(1) 安定構造を示すSi211クラスター超格子に形成される3次元表面の電子状態密度分布はその中心がフェルミ準位にあり、金属的に電気伝導性の高い性質をもつ。
(2) シリコンクラスターサイズが大きくなり、Si235クラスター超格子では、超格子中の間隙が小さくなることに従って、3次元表面の電子状態密度分布強度も小さくなると共に、その中心は低エネルギー側にシフトし、電気伝導性は半導体的性質に変化する。更にクラスターサイズが大きくなるSi256クラスター超格子では、超格子中の間隙が消失し、単結晶シリコンと同等の構造となって3次元表面も消失する。電気伝導性は真正半導体シリコンと同じく絶縁体を示す。
(3) 安定構造を示すSi211クラスター超格子に形成される3次元表面は、Si211クラスター内部に不純物を導入しても、その電子状態密度には殆ど影響が見られない。
(4) Si211シリコンクラスター超格子に形成される3次元表面への酸素分子の解離吸着は、3次元表面のSi原子と反応してSi211xを形成し、電気伝導性制御を可能にする。
The three-dimensional surface of the silicon cluster superlattice in the embodiment of the present invention has the following characteristic properties.
(1) The electronic state density distribution of the three-dimensional surface formed in the Si 211 cluster superlattice showing a stable structure has its center at the Fermi level, and has metallically high electrical conductivity.
(2) As the silicon cluster size increases and the gap in the superlattice decreases in the Si 235 cluster superlattice, the intensity of the electronic state density distribution on the three-dimensional surface decreases and the center shifts to the low energy side The electrical conductivity changes to semiconducting properties. Furthermore, in the Si 256 cluster superlattice in which the cluster size is increased, the gap in the superlattice disappears, the structure becomes equivalent to single crystal silicon, and the three-dimensional surface also disappears. Electrical conductivity exhibits the same insulator as true semiconductor silicon.
(3) The three-dimensional surface formed on the Si 211 cluster superlattice exhibiting a stable structure has almost no effect on the density of electronic states even if an impurity is introduced into the Si 211 cluster.
(4) Dissociative adsorption of oxygen molecules on the three-dimensional surface formed on the Si 211 silicon cluster superlattice reacts with Si atoms on the three-dimensional surface to form Si 211 O x , enabling electrical conductivity control Do.

以下、詳しく説明する。   Details will be described below.

シリコンクラスター超格子の電子状態を第一原理計算により明らかにするためには、安定なシリコンクラスター超格子を構成するSiNクラスターのサイズNを正確に決める必要があり、安定なシリコンクラスター超格子構造をab initio計算によって求めた。In order to clarify the electronic states of silicon cluster superlattices by first-principles calculations, it is necessary to accurately determine the size N of Si N clusters constituting stable silicon cluster superlattices, and stable silicon cluster superlattice structures Was determined by ab initio calculation.

ab initio計算から実際に存在し得るシリコンクラスター超格子を導くためには、初期条件の設定が重要であり、本計算では、実験的に決定されたシリコンクラスター超格子の結晶構造データを基にして計算を進めた。SiNクラスターの結晶構造が単結晶シリコンの形成するダイヤモンド結晶構造と同じであることの実験結果に基づき、単結晶シリコンから半径Rで切り出してSiNクラスターを計算機上に置いた。図2(a)(b)を参照して以下説明する。次に、SiNクラスターが形成するBCC超格子構造の単位胞(以下「単位胞」は“慣用単位胞”(単位胞当たりSiNクラスター2個存在)を意味する。)の初期条件として、実験的に求めたシリコンクラスター超格子のBCC構造格子定数2.134±0.002nmが単結晶シリコンのダイヤモンド結晶構造格子定数aの4倍2.172nmに近い値であることから、BCC超格子構造の単位胞を規定する並進ベクトルとしてt(−2a,2a,2a),t2(2a,−2a,2a),t3(2a,2a,−2a)を導入し、その格子定数を4aとした(図2(a)参照)。BCC超格子構造単位胞の中心と8個の頂点に単結晶シリコンからSiNクラスターを切り出した半径Rの球の中心が位置を占める(図2(b)参照)。球の中心に対して、二通りのSiNクラスター結晶構造の配置が考えられる。一つはSi原子が球の中心に配置され、もう一つはSi原子間の結合中心が球の中心に配置される。それぞれの配置によりSiNクラスターのサイズが分けられ、Si原子中心配置ではSiNクラスターサイズN=187,211,235が、結合中心配置ではSiNクラスターサイズN=130,166,190,202が計算の対象になる。一様なサイズのSiNクラスターが形成するBCC超格子構造についてOpenMX codeを利用して行ったab initio計算結果を表1にまとめる。In order to derive a silicon cluster superlattice that may actually exist from ab initio calculation, it is important to set initial conditions, and in this calculation, based on the experimentally determined crystal structure data of silicon cluster superlattice I proceeded with the calculation. Based on the experimental results that the crystal structure of the Si 3 N cluster is the same as the diamond crystal structure formed by single crystal silicon, the Si 3 N cluster was placed on a computer by cutting out from single crystal silicon at a radius R. This will be described below with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). Next, experiments are performed as initial conditions of unit cells of BCC superlattice structure formed by Si N clusters (hereinafter "unit cells" means "conventional unit cells" (two Si N clusters are present per unit cell)). Structural BCC structure lattice constant 2.134 ± 0.002 nm of the silicon cluster superlattice is a value close to four times 2.172 nm of the diamond crystal structure lattice constant a of single crystal silicon. Introduce t 1 (-2a, 2a, 2a), t 2 (2a, -2a, 2a), t 3 (2a, 2a, -2a) as translational vectors defining unit cells, and set their lattice constants to 4a and (See FIG. 2 (a)). The center of the sphere of radius R where the Si 3 N cluster is cut out of single crystal silicon at the center and eight vertices of the BCC superlattice unit cell occupies the position (see FIG. 2 (b)). The arrangement of two Si N cluster crystal structures can be considered with respect to the center of the sphere. One is that the Si atom is located at the center of the sphere, and the other is that the bonding center between the Si atoms is located at the center of the sphere. The size of the Si N clusters are divided by a respective arrangement, Si N cluster size N = 187,211,235 for Si atomic centers arrangement, calculations Si N cluster size N = 130,166,190,202 in binding centering Subject to Table 1 summarizes the results of ab initio calculations performed using OpenMX code on the BCC superlattice structure formed by Si N clusters of uniform size.

Figure 2017130974
Figure 2017130974

表1に示すように、Si211クラスターとSi235クラスターにおいて、実験から決定されたBCC超格子構造の格子定数2.134±0.002nmに近い値が得られた。この結果より、実際に安定して存在し得るシリコンクラスター超格子は、一様サイズのSi211クラスター乃至はSi235クラスターが最とも隣接するクラスター同士が癒合してBCC超格子構造を形成すると結論付けられる。それ以外のクラスターサイズでは、特に結合中心配置のSiNクラスターでは実験値と大きく異なる結果を示す。小さいサイズのSi130、Si166、Si187では球形構造を安定に維持することが難しく、また比較的大きいサイズのSi190、Si202ではクラスター同士が強く癒合するが故に小さい格子定数を示す結果となった。As shown in Table 1, in the case of the Si 211 cluster and the Si 235 cluster, values close to the lattice constant of 2.134 ± 0.002 nm of the BCC superlattice structure determined from the experiment were obtained. From this result, it is concluded that silicon cluster superlattices that can actually exist in a stable manner are clusters in which uniform sized Si 211 clusters or Si 235 clusters are most adjacent to form a BCC superlattice structure. Be At other cluster sizes, particularly in the case of bonding centered Si N clusters, results are significantly different from the experimental values. It is difficult to keep the spherical structure stable in small sizes of Si 130 , Si 166 and Si 187 , and in relatively large sizes of Si 190 and Si 202 , the clusters strongly bond with each other, resulting in a small lattice constant. became.

Si211クラスター超格子、Si235クラスター超格子の単位胞をそれぞれ図3(a)(b)に示す。それぞれの超格子単位胞では、8個の頂点に中心をもつSiNクラスターが最隣接する単位胞中心の1個のSiNクラスターとそれぞれ互いのクラスター表面を接して癒合し、超格子構造を形成する。N=211と235の2種類のサイズの超格子単位胞でその格子定数がほぼ等しいことを導き出した計算結果から、クラスターサイズが大きい程クラスター同士の接触面積が広がって癒合することがわかる。反面、接触せずに空間に露出するクラスター表面の面積は縮小する。The unit cells of the Si 211 cluster superlattice and the Si 235 cluster superlattice are respectively shown in FIGS. 3 (a) and (b). In each superlattice unit cell, and union eight one Si N clusters and each vertex Si N clusters centered at of unit cell heart that is the closest in contact with cluster surface of each other, forming a superlattice structure Do. It can be seen from the calculation result that the lattice constant is almost equal in two types of superlattice unit cells of N = 211 and 235 sizes, and as the cluster size is larger, the contact area between clusters is expanded and fused. On the other hand, the area of the cluster surface exposed to the space without contact is reduced.

図4(a)(b)に、Si211クラスター超格子のBCC超格子の単位胞内のSi原子の構造を示す。Si211クラスター超格子単位胞では、単位胞中心のSiNクラスターの表面と単位胞頂点に位置する8個のSiNクラスターの表面とがスムースに連なり、協同して(collectively)一つの4面体表面構造を形成する(図4(a)参照)。図4(a)中、(1)はBCC超格子の単位胞を示し、(2)は超格子単位胞内の240個の表面Si原子が形成する四面体表面構造を示し、図4(b)は4(a)の矢視Aから見える四面体表面構造を示す。単位胞内には422個のSi原子が存在し、その内240個の表面Si原子でこの表面構造は形成される。表面Si原子240個の内、216個は、1個のSi原子が4本の結合手をもって周囲の3個のSi原子と結合し1本表面に垂直方向に未結合手(dangling bond)が残る4配位原子であり、残り24個はSi原子の軌道が表面平面内に在って周囲の3個のSi原子と結合する3配位原子である。
Si235クラスター超格子単位胞では470個のSi原子が単位胞内に存在し、その内クラスター表面を構成する312個のSi原子は複数の閉じた空間に露出した表面構造を形成する。
FIGS. 4A and 4B show the structure of Si atoms in the unit cell of the BCC superlattice of the Si 211 cluster superlattice. The Si 211 cluster superlattice unit cell, and eight Si N clusters of surfaces located on the surface with the unit胞頂point of Si N clusters unit cell center is contiguous smoothly, cooperate to (collectively) one tetrahedron surface The structure is formed (see FIG. 4 (a)). In FIG. 4 (a), (1) shows a unit cell of the BCC superlattice, (2) shows a tetrahedral surface structure formed by 240 surface Si atoms in the superlattice unit cell, FIG. 4 (b) ) Shows the tetrahedral surface structure visible from the arrow A of 4 (a). In the unit cell there are 422 Si atoms, of which 240 surface Si atoms form this surface structure. Of the 240 surface Si atoms, 216 have 1 Si atom bonded to the surrounding 3 Si atoms with 4 bond hands, leaving dangling bonds in the vertical direction on one surface The remaining 24 atoms are tri-coordinate atoms, and the orbit of the Si atom is in the surface plane and bonds to the surrounding 3 Si atoms.
In the Si 235 cluster superlattice unit cell, 470 Si atoms exist in the unit cell, and the 312 Si atoms constituting the cluster surface among them form a surface structure exposed to a plurality of closed spaces.

一方SiNクラスターの内部に存在するSi原子はsp3構造を形成し、Si211クラスター超格子、Si235クラスター超格子共にSiNクラスター同士が接する界面を通じて一様なsp3構造が連なる。BCC超格子構造の(110)面に沿って電子密度分布を求めた結果を図5(a)(b)(c)に示す。Si211クラスター超格子(図5(a))、Si235クラスター超格子(図5(b))は、共に単結晶シリコン(c−Si,図5(c))の電子密度分布に極めて似た分布を示す。SiNクラスター同士が接する界面を通して電子密度分布が一様であることは、SiNクラスターが形成するsp3構造のブロッホ波数がSiNクラスター毎に独立に規定されるのではなく、BCC超格子構造全体に一様に広がることを示している。すなわち、シリコン図5(a)(b)で示したようなシリコンクラスター超格子では、SiNクラスターの内部に存在するSi原子はクラスターサイズに依らずに一様にsp3構造を形成し、BCC超格子構造全体にブロッホ波数が広がり、安定した電子状態が形成される。On the other hand, Si atoms present inside the Si N cluster form a sp 3 structure, and in both the Si 211 cluster superlattice and the Si 235 cluster superlattice, a uniform sp 3 structure is connected through the interface where the Si N clusters contact each other. The results of determining the electron density distribution along the (110) plane of the BCC superlattice structure are shown in FIGS. 5 (a), (b) and (c). The Si 211 cluster superlattice (FIG. 5 (a)) and the Si 235 cluster superlattice (FIG. 5 (b)) both closely resemble the electron density distribution of single crystal silicon (c-Si, FIG. 5 (c)) It shows the distribution. It electron density distribution is uniform throughout the Si N clusters are in contact with each other interfaces, rather than Bloch wave number of sp 3 structure Si N cluster is formed is defined independently for each Si N clusters, BCC superlattice structure It shows spreading uniformly throughout. That is, in the silicon cluster superlattice as shown in silicon (5) (a) (b), Si atoms present inside the Si N cluster form an sp 3 structure uniformly regardless of the cluster size, and BCC The Bloch wave number spreads throughout the superlattice structure to form stable electronic states.

Si211クラスター超格子とSi235クラスター超格子についてバンド構造を計算し、その結果を図6(a)、図7(a)にそれぞれ示す。それらのバンド構造のエネルギー状態を半値幅0.05eVのガウス関数で表し、単位エネルギー毎にエネルギー状態数を積算して求めた状態密度(density of states、以下「DOS」ともいう。単位[eV-1])をそれぞれ図6(b)、図7(b)に示す。Si211クラスター超格子では、DOSのフェルミ準位近傍に幅広く大きなピークが現れ、そのピークの両脇に0.04eV(E=−0.68eV)と0.26eV(E=0.27eV)のエネルギーギャップが生じている。The band structures of the Si 211 cluster superlattice and the Si 235 cluster superlattice were calculated, and the results are shown in FIGS. 6 (a) and 7 (a). The energy states of those band structures are represented by a Gaussian function with a half width of 0.05 eV, and the number of energy states is integrated for each unit energy to obtain the density of states (hereinafter also referred to as “DOS”. Unit [eV − 1 ] is shown in FIG. 6 (b) and FIG. 7 (b), respectively. In the Si 211 cluster superlattice, a large peak appears widely near the Fermi level of DOS, and energies of 0.04 eV (E = −0.68 eV) and 0.26 eV (E = 0.27 eV) appear on both sides of the peak. There is a gap.

フェルミ準位近傍の高強度ピークの起源を調べるためにPDOS(projected density of states)の計算を行った。結果を図8に示す。結晶構造の同じ対称性をもつSi原子は1個のPDOSを与え、Si211クラスターではその結晶構造対称性から18種類のPDOSが与えられる。18本のPDOSの内主に3種類のPDOS((1)、(2)、(3))がDOSにおけるフェルミ準位近傍の高強度ピークを形成している。この3種類の内(1)のPDOSは12個の3配位表面原子が形成し、(2)、(3)のPDOSは108個存在する4配位表面原子の中でも3配位表面原子に近い位置を占める24個がそれぞれ形成する。即ち、フェルミ準位近傍の高強度ピークはSi211クラスター超格子に形成される表面構造に起因するものであり、その表面電子状態が安定した高密度のDOSを形成していることが明らかになった。表面電子状態が示すDOSがクラスター内部のsp3構造によるDOSと同様に高いことから、電子状態密度が高く、周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態がSi211クラスター超格子に形成されることを結論する。We calculated PDOS (projected density of states) to find out the origin of high intensity peaks near the Fermi level. The results are shown in FIG. The Si atom having the same symmetry of the crystal structure gives one PDOS, and the Si 211 cluster gives 18 types of PDOS due to its crystal structure symmetry. Among the 18 PDOSs, mainly three types of PDOS ((1), (2), (3)) form high-intensity peaks near the Fermi level in DOS. Of these three types (1), PDOS forms 12 tricoordinated surface atoms, and PDOS of (2) and (3) is a tricoordinated surface atom among 108 tetracoordinated surface atoms. 24 pieces occupy the near position, respectively. That is, it is revealed that the high intensity peak near the Fermi level is due to the surface structure formed in the Si 211 cluster superlattice, and that the surface electronic state forms a stable high density DOS. The Since the surface electron state indicates that DOS is as high as that of the sp 3 structure in the cluster, a surface electronic state having a stable crystal structure with high electronic state density and high periodicity is formed in the Si 211 cluster superlattice Conclude that

一方Si235クラスター超格子について同様にDOSを求めた結果(図7(b))では0.23eV(E=0.14eV)のエネルギーギャップが生じ、フェルミ準位以下のエネルギー領域にはエネルギーギャップは存在しない。このDOSのエネルギー分布形状はP型単結晶シリコンのDOSに類似している。フェルミ準位近傍に見られるピークの素性を明らかにするためにPDOSの計算を行った。Si235クラスターでは38種類のPDOSが求められ、結果を図9に示す。その内表面構造を形成する3配位原子のPDOS(4)がフェルミ準位近傍に見られるピークを形成する。On the other hand, the energy gap of 0.23 eV (E = 0.14 eV) occurs in the result of similarly obtaining DOS for the Si 235 cluster super lattice (FIG. 7 (b)), and the energy gap is in the energy region below the Fermi level not exist. The energy distribution shape of this DOS is similar to that of P-type single crystal silicon. PDOS calculations were performed to clarify the identity of the peaks found near the Fermi level. For the Si 235 cluster, 38 types of PDOS are required, and the results are shown in FIG. The three-coordinate atom PDOS (4) that forms the inner surface structure forms a peak seen near the Fermi level.

実際のSiNクラスター超格子において、電子状態密度が高く、周期性の高い安定した結晶構造をもつ表面電子状態が形成されるかについて、高分解透過電子顕微鏡(Titan、FEI)を利用して電子エネルギー損失分光(EELS)実験を行い、SiNクラスター超格子の電子状態を調べた。電子線の入射エネルギーは60keV、EELS imaging法により観測を行った。結果を図10に示す。単結晶シリコンでは損失エネルギー99.8eVに現れるL2,3 core−loss端は良く知られており、単結晶シリコンの伝導帯の下端エネルギー準位に対応する。単結晶シリコンのL2,3 core−lossスペクトルでは見られない99.8eVより更に低いエネルギー領域に、SiNクラスター超格子のL2,3 core−lossスペクトルが観測され、単結晶シリコンの伝導帯下端以下のエネルギーすなわちバンドギャップ内のエネルギー準位に相当するエネルギー領域にSi211クラスター超格子の表面電子準位が現れるDOSの計算結果に相当することを示唆している。High-resolution transmission electron microscopy (Titan, FEI) is used to determine whether a surface electronic state with a stable crystal structure with a high electronic state density and high periodicity is formed in an actual Si N cluster superlattice Energy loss spectroscopy (EELS) experiments were performed to investigate the electronic states of Si N cluster superlattices. The incident energy of the electron beam was 60 keV, and the observation was performed by the EELS imaging method. The results are shown in FIG. In single crystal silicon, the L 2,3 core-loss end appearing at a loss energy of 99.8 eV is well known and corresponds to the lower end energy level of the conduction band of single crystal silicon. The L 2,3 core-loss spectrum of Si N cluster superlattice is observed in the energy region lower than 99.8 eV which is not seen in the L 2,3 core-loss spectrum of single crystal silicon, and the conduction band of single crystal silicon It is suggested that the surface electronic level of the Si 211 cluster superlattice appears in the energy region corresponding to the energy below the lower end, that is, the energy level in the band gap, which corresponds to the calculation result of DOS.

SiNクラスター超格子のエネルギー状態密度の理論計算とEELSスペクトルデータとの比較を行うため、QMAS codeを利用してSiNクラスター超格子のEELSスペクトルの計算機シミュレーションを行った。結果を図11に示す。単結晶シリコン(c−Si)、Si235クラスター超格子、Si211クラスター超格子と表面電子準位の状態数が多くなるに従って、99.8eVより更に低いエネルギー領域のL2,3 core−lossスペクトルが強くなる様子を再現している。In order to perform theoretical calculation of energy density of states of Si N cluster superlattice and comparison with EELS spectrum data, computer simulation of EELS spectrum of Si N cluster superlattice was performed using QMAS code. The results are shown in FIG. L 2,3 core-loss spectrum in the energy region even lower than 99.8 eV as the number of states of single-crystal silicon (c-Si), Si 235 cluster superlattice, Si 211 cluster superlattice and surface electronic states increases It reproduces the situation that becomes stronger.

以上の結果より、理論計算によって明らかにされたSiクラスター超格子に特有の表面電子状態の存在が実験的にも確認されることから、Siクラスター超格子には周期性に優れた安定した結晶構造をもつ高い状態密度の3次元表面電子状態が形成されることが結論付けられる。From the above results, the existence of surface electronic states specific to Si N cluster superlattices revealed by theoretical calculations is experimentally confirmed, and thus, stable and excellent in periodicity in Si N cluster superlattices It is concluded that a high density of states three-dimensional surface electronic state with crystalline structure is formed.

図12に、単結晶シリコン(c−Si)、Si235クラスター超格子、Si211クラスター超格子のDOSを示す。図12では、SiNクラスター超格子に特有の表面電子状態がフェルミ準位近傍に安定したDOSピークを形成し、それがSiNクラスターのサイズに依存して大きく変化する。この結果には二つの条件が揃うことで成立する。先ず第1の条件として、SiNクラスターからSiNクラスター超格子が形成される過程で、SiNクラスター同士が融合し、その接合面を通じてSi原子のsp3結晶構造がスムースに連なり超格子を形成する。クラスター同士の接合面で不連続なSi原子配列が生じると、SiNクラスター超格子全体に亘る安定した結晶構造をもつ表面構造の形成が困難になることから、この点は重要である。第2の条件として、クラスターサイズがN=211,235,256(N=256は超格子単位胞格子定数が4aにおける単結晶シリコンに相当するサイズ)と大きくなっても、BCC超格子構造の格子定数がほぼ一定であることである。理論モデルでは、単結晶シリコンから半径Rの球で切り出してSiNクラスターを形成したことを考慮すれば、単純に半径Rの球が剛体であれば、サイズが大きくなるに従って超格子単位胞の格子定数は長くなり、またSiNクラスター超格子の表面積も増大することを仮想しがちである。しかし実際のSiNクラスター超格子の形成はそうではなく、SiNクラスターサイズが大きくなるに従って互いの接合面が増大し、SiNクラスター同士の癒合がより強くなって、その結果超格子単位胞の格子定数は変化せずにほぼ一定を保つ。格子定数がほぼ4aに等しいことと関連して、4配位Si原子が形成するsp3軌道による結晶構造(ダイヤモンド構造)固有の超格子構造の安定構造が存在することを推測できる。いずれにせよ、SiNクラスターサイズが大きくなるに従って4aに近い一定の格子定数を維持する超格子単位胞では、SiNクラスター超格子の表面構造の面積は反対に減少する。図12に示されたSi211クラスター超格子の表面準位がフェルミ準位上で大きなDOSを形成することから、この表面電子状態は電子輸送し易い金属的であることを示す。これはSi211クラスター超格子の表面構造がSiNクラスターの表面がスムースにつながり、超格子全体に広がるマクロ構造を形成するが故である。Si235クラスター超格子では、SiNクラスター間の融合が進むことで、表面は切断されて超格子単位胞内にいくつかの閉鎖空間(格子欠陥)が形成され、超格子単位胞内に留まる局所的な表面構造が形成される。その結果、図12に示されたSi235クラスター超格子の表面準位は半導体的(p型Si)である。更にSiNクラスターサイズが大きくなると間隙も無くなり、単結晶シリコンすなわち真正半導体の電気絶縁状態になる。FIG. 12 shows DOS of single crystal silicon (c-Si), Si 235 cluster superlattice, and Si 211 cluster superlattice. In FIG. 12, the surface electronic state unique to the Si 3 N cluster superlattice forms a stable DOS peak near the Fermi level, which varies greatly depending on the size of the Si 3 N cluster. This result is satisfied when two conditions are met. First, as a first condition, in the process of Si N cluster superlattice is formed from Si N clusters, Si N clusters each other by fusion, a superlattice succession sp 3 crystal structure of Si atoms through its bonding surface smoothly formed Do. This point is important because it is difficult to form a surface structure having a stable crystal structure over the entire Si N cluster superlattice, if a discontinuous Si atomic arrangement occurs at the interface between clusters. As the second condition, even if the cluster size is increased to N = 211, 235, 256 (N = 256 is a size corresponding to single crystal silicon in the superlattice unit cell lattice constant 4a), the lattice of the BCC superlattice structure The constant is almost constant. In the theoretical model, if it is simply cut from single crystal silicon with a sphere of radius R to form Si N clusters, if the sphere of radius R is simply a rigid body, the lattice of the superlattice unit cell as the size increases It is assumed that the constant becomes longer and the surface area of the Si 3 N cluster superlattice also increases. However, the formation of actual Si N cluster superlattices is not so, and as the Si N cluster size increases, the bonding surface increases, and the bonding between Si N clusters becomes stronger, resulting in the superlattice unit cell The lattice constant remains approximately constant without change. In connection with the lattice constant being approximately equal to 4a, it can be inferred that there exists a stable structure of a superlattice structure inherent to the crystal structure (diamond structure) by the sp 3 orbital formed by four coordinate Si atoms. In any case, in a superlattice unit cell maintaining a constant lattice constant close to 4a as the Si 3 N cluster size increases, the area of the surface structure of the Si 3 N cluster superlattice decreases in reverse. The surface states of the Si 211 cluster superlattice shown in FIG. 12 form large DOS on the Fermi level, which indicates that this surface electronic state is metallic which is easy to transport electrons. This is because the surface structure of the Si 211 cluster superlattice smoothly connects the surface of the Si N cluster to form a macrostructure which extends throughout the superlattice. In the Si 235 cluster superlattice, as the fusion between Si N clusters proceeds, the surface is cut to form some closed spaces (lattice defects) in the superlattice unit cell, and the local remains in the superlattice unit cell Surface structure is formed. As a result, the surface state of the Si 235 cluster superlattice shown in FIG. 12 is semiconductive (p-type Si). Furthermore, as the Si 3 N cluster size increases, the gap also disappears, and an electrical insulation state of single crystal silicon, that is, an authentic semiconductor is obtained.

(第1の実施の形態)
本実施の形態では、本発明のシリコンクラスター超格子の表面電子状態を利用した半導体素子について、図13乃至17を参照して以下説明する。
First Embodiment
In the present embodiment, a semiconductor device using the surface electronic state of the silicon cluster superlattice of the present invention will be described below with reference to FIGS.

シリコンクラスター超格子の表面電子状態を利用した電子デバイスとして、先ず基本となるダイオードについて説明する。ダイオードはフェルミ準位の異なる2種類の半導体を接合することで得られる。フェルミ準位制御は単結晶シリコンの場合Bを始めとするIII族元素のドープによりp型半導体を形成する。Si211クラスター超格子のBCC超格子単位胞に含まれる2個のSi211クラスターをそれぞれに構成する211個のSi原子1個をBと置換した場合のDOSを解析した結果を図13、図14に示す。Si211クラスターの中心で置換が生じた場合(図13)、置換前のDOSと比較すると、フェルミ準位上に強いピークを示す表面電子状態の上方と下方のエネルギー域にバンドギャップが形成される電子状態に大きな違いは見られない。一方表面原子の3配位Si原子を置換した場合(図14)、置換前のDOSと比較すると、表面電子状態の上方エネルギー領域のバンドギャップ内に、新たな微小ピークが形成される。図中、斜線で該当領域を示す。この結果は、表面3配位原子と異種元素との置換反応によって、表面電子状態のバンド構造制御が可能であることを表している。First, a diode as a basic device will be described as an electronic device utilizing the surface electronic state of a silicon cluster superlattice. The diode is obtained by joining two kinds of semiconductors different in Fermi level. In the case of single crystal silicon, Fermi level control forms a p-type semiconductor by doping with a group III element including B. Figures 13 and 14 show DOS analysis results when one Si atom of 211 Sis constituting two Si 211 clusters contained in BCC superlattice unit cell of Si 211 cluster superlattice is replaced with B respectively. Shown in. When substitution occurs at the center of the Si 211 cluster (FIG. 13), a band gap is formed in the upper and lower energy regions of the surface electronic states that show a strong peak on the Fermi level when compared to DOS before substitution No major difference is seen in the electronic state. On the other hand, when the three-coordinate Si atom of the surface atom is substituted (FIG. 14), a new minute peak is formed in the band gap of the upper energy region of the surface electronic state as compared with DOS before substitution. In the figure, the corresponding area is indicated by diagonal lines. This result indicates that the band structure control of the surface electronic state is possible by the substitution reaction of the surface three coordinating atoms with the foreign element.

表面Si原子の置換位置をより詳細に評価するため、Hとの置換を例に解析する。Si211クラスター超格子のBCC超格子単位胞内の240個の表面Si原子の内24個(Si211クラスター当り12個)が3配位Si原子である。この3配位Si原子はSiNクラスターの3次元周囲のx−y−z−軸方向に形成される6個の空間に2個ずつ面して配置するSi原子である。図15(a)(b)に、Si211クラスター超格子への異種元素(例H)の吸着反応の進行について示す。6個の空間に3配位Si原子が2個ずつ面して配置する空間に水素分子(H2)を導入すると、エネルギー障壁が無く解離して、それぞれ2個の3配位Si原子と吸着反応が生じる。図15(b)に、表面原子のH2分子の吸着反応における吸着位置による2種類の反応エネルギーダイアグラムを表示する。3配位Si原子との吸着反応が深いポテンシャルダイアグラムに従って反応が進行するのに対して、3配位Si原子以外の表面原子に対しては、水素分子は解離することなく、分散力の弱い結合が生じる。Si211クラスター超格子表面へのH2分子吸着の解析から、Si211クラスター超格子表面への異種元素吸着反応では、吸着反応が安定して進行する表面原子位置が特定されることが明らかになった。Si211クラスター超格子表面へのH2分子吸着に対してDOSの変化を、図16に示す。図14に示したBの表面吸着は、Si211クラスターに存在する12個の3配位Si原子の内1個をBに置換した結果を表している。B置換により表面電子状態の上位エネルギー方向に形成されたDOSの小さいピークに対応するバンド構造を調べると、伝導帯下端の直ぐ下方に新たなバンド構造を形成することが明らかになっている。In order to evaluate the substitution position of the surface Si atom in more detail, substitution with H is analyzed as an example. Of the 240 surface Si atoms in the BCC superlattice unit cell of the Si 211 cluster superlattice, 24 (12 per Si 211 cluster) are three-coordinate Si atoms. The three-coordinate Si atoms are Si atoms arranged so as to face each two in six spaces formed in the xy-z-axis direction of the three-dimensional periphery of the Si 3 N cluster. FIGS. 15 (a) and 15 (b) show the progress of the adsorption reaction of the different element (example H 2 ) on the Si 211 cluster superlattice. When hydrogen molecules (H 2 ) are introduced into the space where three three-coordinate Si atoms face each other in six spaces, there is no energy barrier and they are dissociated and adsorbed with two three-coordinate Si atoms. A reaction occurs. FIG. 15 (b) shows two types of reaction energy diagrams depending on the adsorption position in the adsorption reaction of H 2 molecules of the surface atoms. The reaction proceeds according to a deep potential diagram while the adsorption reaction with the three-coordinate Si atom proceeds, while the hydrogen molecule does not dissociate to surface atoms other than the three-coordinate Si atom, and the bond of weak dispersion force Will occur. Analysis of H 2 molecules adsorption on Si 211 cluster superlattice surfaces, the different element adsorption reaction to Si 211 cluster superlattice surface revealed that the adsorption reaction is identified surface atom positions which proceeds with stable The The change in DOS for H 2 molecule adsorption on the Si 211 cluster superlattice surface is shown in FIG. The surface adsorption of B shown in FIG. 14 represents the result of replacing one of the 12 tricoordinate Si atoms present in the Si 211 cluster with B. Examination of the band structure corresponding to the small peak of DOS formed in the upper energy direction of the surface electronic state by B substitution reveals that a new band structure is formed immediately below the lower end of the conduction band.

一方図13に示したようにSi211クラスター内部のSi原子とのB置換では、Si211クラスター超格子の表面電子状態は殆ど影響を受けない。BCC超格子構造単位胞内に2個のB原子が存在する場合のB濃度は2.03×1020cm-3であり、極めて高い濃度のBドープに相当する。それにもかかわらず、Si211クラスター超格子に形成される表面電子状態は殆ど影響を受けない。この結果はB置換に限らず他の異種元素、金属などの不純物についても同様の結果が類推される。即ち、不純物に対してもSi211クラスター超格子に形成される表面電子状態は影響を受け難いことを示している。今日では主要半導体材料であるシリコンは、太陽電池用ソーラーグレード(7N−9N)、集積回路用半導体グレード(SEG−Si:11N)など用途に応じた純度が厳格に規定され、大量の電力消費によって合成されている。半導体の高集積化が限界に近づく中、Si材料合成においても大口径基板の高純度化は次第に難しくなっている。それに対してSiNクラスター超格子の表面電子状態を利用したダイオードを基本とする電子デバイスでは、SEG−Siなどの高純度半導体材料に替って廉価なソーラーグレードのシリコン材料を用いて高い機能性を持った半導体デバイスの創製を可能にする。While in B substituted with Si 211 clusters inside the Si atom, as shown in FIG. 13, the surface electron states of Si 211 cluster superlattice hardly affected. When two B atoms are present in the BCC superlattice unit cell, the B concentration is 2.03 × 10 20 cm −3 , which corresponds to extremely high concentration B doping. Nevertheless, the surface electronic states formed in the Si 211 cluster superlattice are largely unaffected. This result can be analogized not only to B substitution but also to impurities such as other foreign elements and metals. That is, it is shown that the surface electronic state formed in the Si 211 cluster superlattice is also insusceptible to impurities. Today, silicon, which is a major semiconductor material, is strictly defined according to applications such as solar grade for solar cells (7N-9N) and semiconductor grade for integrated circuits (SEG-Si: 11N), and it consumes a large amount of power. It is synthesized. With high integration of semiconductors approaching the limit, purification of large diameter substrates is becoming increasingly difficult even in Si material synthesis. On the other hand, in diode-based electronic devices that use the surface electronic state of Si N cluster superlattice, high functionality is achieved by using inexpensive solar grade silicon materials instead of high purity semiconductor materials such as SEG-Si. Enable the creation of semiconductor devices with

次にSi211クラスター超格子へO2分子を導入した場合について、O2分子の解離反応を続いて調べる。BCC超格子単位胞内の2個のSi211クラスター周囲に形成される6個の空間にO2分子を1個ずつ順番に導入し、それぞれの空間に面する2個の3配位Si原子と解離吸着させてDOS変化を解析した結果を、図17に示す。図17では、Si211、Si2112、Si2114、Si21112について、DOSを示す。O2分子の吸着量が増えるに従って、表面電子状態のピーク位置はFermi準位下方へシフトする。全ての3配位Si原子がO原子と吸着したSi21112では、表面電子状態の低エネルギー側のバンドギャップは消失する。この状態のバンド構造を見ると、価電子帯直上に表面準位が形成され、p型単結晶Siのバンド構造に近いp型半導体を形成する可能性を示している。Next, with respect to the case where O 2 molecules are introduced into the Si 211 cluster superlattice, the dissociation reaction of the O 2 molecules is subsequently examined. One O 2 molecule is sequentially introduced one by one into six spaces formed around two Si 211 clusters in a BCC superlattice unit cell, and two three-coordinate Si atoms facing each space The results of analyzing the DOS change by dissociation and adsorption are shown in FIG. FIG. 17 shows DOS for Si 211 , Si 211 O 2 , Si 211 O 4 and Si 211 O 12 . As the amount of adsorbed O 2 molecules increases, the peak position of the surface electronic state shifts downward to the Fermi level. In Si 211 O 12 in which all three coordinated Si atoms are adsorbed with O atoms, the band gap on the low energy side of the surface electronic state disappears. Looking at the band structure in this state, a surface state is formed immediately above the valence band, indicating the possibility of forming a p-type semiconductor close to the band structure of p-type single crystal Si.

更にSi211クラスター超格子のn型半導体について説明するため、再び図14に戻って説明する。Si211クラスター超格子の表面に存在する3配位Si原子の1個をBで置換することにより現れるDOSの小ピークは、伝導帯下端の直ぐ下方に新たなバンド構造が形成されることを表し、その点ではn型単結晶Siのバンド構造と似かよっている。しかし表面電子状態を示すDOSの主ピークの中心付近にFermi準位が在るため、この電子状態は金属的である。この状態から、Si211クラスター周囲に形成される6個の空間にO2分子を1個ずつ順番に導入して3配位Si原子と解離吸着することによって、図17に示されたと同様に表面電子状態のピーク位置がFermi準位下方へシフトする。その結果、伝導帯下端の直ぐ下方に新たなバンド構造を形成し、Fermi準位上にはバンドギャップが開く。このバンド構造はn型単結晶Siのバンド構造に近いn型半導体を形成する可能性を示している。Further, in order to explain the n-type semiconductor of the Si 211 cluster superlattice, it will be explained by returning to FIG. 14 again. The small peak of DOS that appears by replacing one of the three-coordinate Si atoms present on the surface of the Si 211 cluster superlattice with B indicates that a new band structure is formed immediately below the lower end of the conduction band. In that respect, it is similar to the band structure of n-type single crystal Si. However, this electronic state is metallic because there is a Fermi level near the center of the main peak of DOS that indicates the surface electronic state. From this state, O 2 molecules are sequentially introduced one by one into six spaces formed around the Si 211 cluster, and dissociated and adsorbed with three-coordinate Si atoms, as shown in FIG. The peak position of the electronic state shifts downward to the Fermi level. As a result, a new band structure is formed immediately below the lower end of the conduction band, and a band gap is opened above the Fermi level. This band structure indicates the possibility of forming an n-type semiconductor close to the band structure of n-type single crystal Si.

以上Si211クラスター超格子の表面に存在する3配位Si原子に異種元素を吸着する、或は異種元素と置換することにより表面電子状態を制御し、Si211クラスター超格子のn型半導体とp型半導体の2種類の電子状態が形成される可能性を示した。この2種類のSi211クラスター超格子半導体を接合することで、整流作用を持つ超格子表面ダイオードの形成が可能であり、その構造の一例について述べる。図18に超格子表面ダイオードの構造及びその形成方法を示す。金属電極(アルミ電極)を付着した基板5にSiクラスタービームを蒸着してSiクラスター超格子1を形成する(図18a参照)。次に、真空容器へO2を導入して、Siクラスター超格子表面へO原子の解離吸着を行い、Siクラスター超格子p型半導体2を形成する(図18b参照)。Siクラスターp型超格子半導体2へB原子を例えばプラズマスパッター手法を用いて導入し(B原子導入3)、Siクラスター超格子n型半導体4を形成する(図18c参照)。最後に金属電極(銀電極)6を付けて、Siクラスター超格子表面ダイオードの構造が形成される(図18d参照)。The surface electronic state is controlled by adsorbing different elements to the three-coordinate Si atoms present on the surface of the Si 211 cluster superlattice or replacing them with other elements, thereby controlling the n-type semiconductor of the Si 211 cluster superlattice and p. It shows the possibility of forming two kinds of electronic states of semiconductors. By joining these two types of Si 211 cluster superlattice semiconductors, it is possible to form a superlattice surface diode having a rectifying function, and an example of its structure will be described. FIG. 18 shows a structure of a superlattice surface diode and a method of forming the same. A Si cluster beam is vapor-deposited on the substrate 5 to which a metal electrode (aluminum electrode) is attached to form a Si cluster super lattice 1 (see FIG. 18a). Next, O 2 is introduced into a vacuum vessel to carry out dissociative adsorption of O atoms on the surface of the Si cluster super lattice, thereby forming a Si cluster super lattice p-type semiconductor 2 (see FIG. 18 b). B atoms are introduced into the Si cluster p-type superlattice semiconductor 2 using, for example, a plasma sputtering method (B atom introduction 3) to form a Si cluster superlattice n-type semiconductor 4 (see FIG. 18c). Finally, a metal electrode (silver electrode) 6 is attached to form a structure of a Si cluster super lattice surface diode (see FIG. 18 d).

(第2の実施の形態)
本実施の形態では、本発明のシリコンクラスター超格子を利用した装置の例として、真空隔離薄膜窓について、図19乃至22を参照して以下説明する。
Second Embodiment
In the present embodiment, a vacuum isolation thin film window will be described below with reference to FIGS. 19 to 22 as an example of a device using a silicon cluster super lattice of the present invention.

図19にシリコンクラスター超格子を備える真空窓の構造を示す。真空窓は、真空側から、金属グリッド11、マイクログリッド12、グラフェン13、シリコンクラスター超格子の順序の積層構造体からなり、シリコンクラスター超格子14の大気側に微生物等の試料16を配置される。真空窓は、金属グリッド11に炭素蒸着したトリアフォル(cellulose acetobutyrate)を付着したマイクログリッド12が、薄膜(グラフェン13及びシリコンクラスター超格子14)を支持する基本骨格を形成する。開口径が数μmのマイクログリッド12へ開口部が覆われるまで、グラフェン13のシートを敷き詰めて、シリコンクラスター超格子14を生成するための極薄基板を形成する。時空間閉じ込め式クラスター源で生成したシリコンクラスタービームを超高真空中でグラフェンシート基板に直接蒸着し、シリコンクラスター超格子真空窓を製作した。   FIG. 19 shows the structure of a vacuum window provided with a silicon cluster superlattice. The vacuum window consists of a laminated structure in the order of metal grid 11, microgrid 12, graphene 13 and silicon cluster super lattice from the vacuum side, and a sample 16 such as a microorganism is placed on the air side of silicon cluster super lattice 14. . In the vacuum window, a microgrid 12 in which a Colaose (cellulose acetobutylate) deposited on a metal grid 11 is deposited forms a basic framework supporting a thin film (graphene 13 and silicon cluster superlattice 14). Sheets of graphene 13 are laid down until the openings are covered by microgrids 12 with an opening diameter of several μm to form an ultrathin substrate for producing silicon cluster superlattices 14. Silicon cluster beams generated by space-time confined cluster source were directly deposited on graphene sheet substrate in ultra high vacuum to fabricate silicon cluster super lattice vacuum window.

図20に、真空窓20を、放射線ビーム15を通過させる構造を備える真空配管に、真空側と大気側の真空隔離のために取り付ける構造を示す。   FIG. 20 shows a structure for attaching the vacuum window 20 to a vacuum pipe provided with a structure for passing the radiation beam 15 for vacuum isolation between the vacuum side and the atmosphere side.

作製した真空窓について具体的に説明する。金属グリッド11には直径3mm、厚さ10μmの白金メッシュ(200mesh)を使用した。真空封止のためのメタルフランジを付けるために、真空配管用ガスケット(sus316L)を加工してグリッド台座を製作した。図21に、グリッド台座の一例を示す。グリッド台座は中心部にビーム通過用に3種類の開口径D=1.0mm,1.5mm,2.0mmを製作した。また金属グリッド11とのレーザー溶接を良好に行うため、グリッド台座には深さ0.03mmのザグリを加工した。グリッド台座にシリコンクラスター超格子真空窓をレーザービーム溶接により取り付けた。図22に,レーザービーム溶接の様子を例示する。グリッド台座面を真空配管シールエッジ面で挟み真空封止することで、真空配管に真空隔壁が形成される(図19参照)。金属グリッドとして使用した200meshの白金メッシュに真空下で掛かる圧力は、一つのグリッド開口部0.12mm×0.12mmの面積1.44×10-4cm2当り144mgである。金属グリッド11開口部に更に開口径数μmのマイクログリッド12が張られる。開口径数μmのマイクログリッドの開口部がグラフェンによって十分被覆されるように、数十μm以上のグラフェン生成を行った。原材料は天然グラファイト(SNO−30、SECカーボン株式会社)使用した。グラファイトの酸化工程に利用するHummer’s溶液はSNO−30に対するモル比率を標準的に利用される比率より約2.5倍多くして使用した。SNO−30の投入量0.398g(0.033mol)に対して、Hummer’s溶液の混合量は濃硫酸(H2SO4,0.617mol)、過マンガン酸カリ(KMnO4,0.0277mol)、硝酸ナトリウム(NaHO3,0.00874mol)である。酸化工程には120時間を越える時間を掛けて行い、その間の平均溶液温度は32.5℃であった。酸化の進行は光学顕微鏡でモニターした。酸化が十分に進んだ後、酸化ナノカーボン溶液を5%希硫酸水溶液に移して希釈した後、過酸化水素で還元して酸化反応を止める。3%希硫酸水溶液で十分に精製した後、更に超純水で精製を続け、最後にイソプロピルアルコール中で分散させたグラフェンの希釈溶液をマイクログリッドに滴下する。マイクログリッドにおけるグラフェン被覆の割合を電子顕微鏡で観察する。この電子顕微鏡データを基に、グラフェン被覆量の調整を行った。グラフェンは膜厚1nm未満であることが好ましい。The produced vacuum window will be specifically described. For the metal grid 11, a platinum mesh (200 mesh) with a diameter of 3 mm and a thickness of 10 μm was used. In order to attach a metal flange for vacuum sealing, a gasket for vacuum piping (sus316L) was processed to produce a grid pedestal. FIG. 21 shows an example of the grid pedestal. The grid pedestal was fabricated with three types of aperture diameters D = 1.0 mm, 1.5 mm and 2.0 mm at the center for beam passage. Further, in order to perform laser welding with the metal grid 11 well, a counterbore having a depth of 0.03 mm was processed on the grid pedestal. A silicon cluster superlattice vacuum window was attached to the grid pedestal by laser beam welding. FIG. 22 illustrates an example of laser beam welding. A vacuum dividing wall is formed on the vacuum piping by sandwiching the grid pedestal surface with the vacuum piping sealing edge surface and vacuum sealing (see FIG. 19). The pressure applied under vacuum on a 200 mesh platinum mesh used as a metal grid is 144 mg per 1.44 × 10 −4 cm 2 of grid opening 0.12 mm × 0.12 mm. Further, a microgrid 12 with an opening diameter of several μm is stretched at the opening of the metal grid 11. The graphene of several tens of μm or more was formed so that the openings of the microgrid having an opening diameter of several μm were sufficiently covered by the graphene. Raw materials used natural graphite (SNO-30, SEC Carbon Co., Ltd.). The Hummer's solution used in the graphite oxidation step was used at a molar ratio to SNO-30 about 2.5 times more than the ratio normally used. The mixed amount of Hummer's solution is concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 , 0.617 mol), potassium permanganate (KMnO 4 , 0.0277 mol) with respect to 0.398 g (0.033 mol) of the input amount of SNO-30. ), Sodium nitrate (NaHO 3 , 0.00874 mol). The oxidation step was carried out over 120 hours, during which the average solution temperature was 32.5 ° C. The progress of oxidation was monitored by light microscopy. After the oxidation has sufficiently proceeded, the oxidized nanocarbon solution is transferred to a 5% dilute aqueous sulfuric acid solution for dilution, and then it is reduced with hydrogen peroxide to stop the oxidation reaction. After sufficient purification with a 3% dilute aqueous sulfuric acid solution, purification is continued with ultrapure water, and finally, a diluted solution of graphene dispersed in isopropyl alcohol is dropped onto a microgrid. The percentage of graphene coating in the microgrid is observed with an electron microscope. The graphene coverage was adjusted based on the electron microscope data. The graphene preferably has a thickness of less than 1 nm.

作製したグラフェンシート上に、時空間閉じ込め式クラスター源で生成したシリコンクラスタービームを超高真空中でグラフェンシート基板に直接蒸着し、シリコンクラスター超格子膜を成膜した。SiNクラスター超格子を形成するために、サイズを制御してSiNクラスタービームを生成する方法について説明する。液体窒素温度に冷却した長径100mmの回転楕円形状のセルにHe流体を導入し、単結晶Si標的にNd:YAGレーザーを照射する。Si標的試料の直径4mmの照射スポットの中心を楕円焦点に合わせ、標的試料表面を楕円軸に垂直に設置すると、Si標的試料から噴出するSi蒸気は楕円軸に沿って進行し、楕円軸上のもう片方の内壁端に設けた直径3.6mmセル出口手前でHe流体に押し戻されて、Si蒸気の先端は出口近傍でしばらくの時間停滞する。Si蒸気とHe流体との界面では、両気体の混合領域層が形成され、この混合領域層でのみSiNクラスターは生成される。レーザー蒸発によって噴出するSi蒸気の温度は数千℃あり、一方He流体は真空内でセルへの導入直前に設けたリザーバーで十分液体窒素温度(−196℃)に冷却された後、同温度に冷却されたセルに導入されるため、両者の混合領域層では、急激な冷却によるSi蒸気の凝集が進行する。Si蒸気の先端付近では激しい粒子衝突が生じ、Si原子は励起されて発光する。その発光像を高速フレーミングカメラによって観測してSi蒸気先端の発光強度の立ち上がりを解析することにより混合領域層の厚さが判明し、その厚さは概ね1mm以下であり、時間が経過して広がったとしても、1mmを大きく超えることは無く、この混合領域が極めて局所的な空間領域に閉じ込められることを表している。この混合領域の厚さ1mm以下の距離をSi蒸気が拡散する時間は凡そ1msである。この時間に対して、Si蒸気の凝集過程の激しい粒子衝突が生じる時間を示す発光強度の減衰時間からこの混合領域層が継続される時間は半減期で20−30μs、4σ減衰でも100μsを越えることは無い。以上の解析よりこの混合領域層が局所空間に閉じ込められる時間は拡散時間に対して十分に短く、混合領域層は大きな形状変化を生じることなく一定時間継続した後、He流体の流れに沿って回転楕円セルの出口から真空中へ流出する。レーザー照射サイクルは20Hzであり、パルス毎のSi蒸発量は、Si原子2.7×1016個である。高密度の低温He流体との混合領域層内で、Si原子同士の衝突と同時に高頻度にHeと衝突を繰り返すことで凝集熱は急速に奪われ、常に近接のSi原子同士のみが互いに衝突して凝集する過程(coagulation model、衝突回数sに対してN=2sでクラスター成長する)が生じ易い条件が整っている。初期のクラスター成長速度が速く、成長が進むに従い成長速度は急激に減少して、一定時間でクラスター成長が一定サイズに収束する。A silicon cluster beam generated by a space-time confined cluster source was directly vapor-deposited on a graphene sheet substrate in ultra-high vacuum on the prepared graphene sheet to form a silicon cluster super lattice film. A method of controlling the size and generating a Si N cluster beam to form a Si N cluster superlattice is described. He fluid is introduced into a cell of spheroid shape with a long diameter of 100 mm cooled to liquid nitrogen temperature, and a single crystal Si target is irradiated with Nd: YAG laser. When the center of the 4 mm diameter irradiation spot of the Si target sample is aligned with the elliptical focal point and the target sample surface is set perpendicular to the elliptical axis, the Si vapor ejected from the Si target sample travels along the elliptical axis and on the elliptical axis The He fluid is pushed back in front of the cell with a diameter of 3.6 mm provided at the other inner wall end, and the tip of Si vapor stagnates for a while near the outlet. At the interface between Si vapor and He fluid, a mixed region layer of both gases is formed, and only in this mixed region layer, Si N clusters are generated. The temperature of the Si vapor ejected by laser evaporation is several thousand ° C, while the He fluid is sufficiently cooled to the liquid nitrogen temperature (-196 ° C) by the reservoir provided just before introduction into the cell in vacuum, and then to the same temperature. Since it is introduced into the cooled cell, agglomeration of Si vapor by rapid cooling proceeds in the mixed region layer of both. In the vicinity of the tip of Si vapor, intense particle collision occurs, and Si atoms are excited to emit light. The thickness of the mixed region layer is found by observing the light emission image with a high-speed framing camera and analyzing the rise of the light emission intensity at the tip of the Si vapor, the thickness is about 1 mm or less, and spreads over time Even if it does not greatly exceed 1 mm, it indicates that this mixed area is confined to a very local space area. The time for the Si vapor to diffuse over a distance of 1 mm or less in the mixed region is about 1 ms. For this time, from the decay time of luminescence intensity showing the time when intense particle collision of the aggregation process of Si vapor occurs, the time for which this mixed region layer is continued is 20-30 μs in half life, and 100 μs in 4σ decay as well. There is no. From the above analysis, the time when the mixed area layer is confined in the local space is sufficiently short with respect to the diffusion time, and the mixed area layer continues for a fixed time without causing a large shape change, and then rotates along the He fluid flow From the outlet of the elliptical cell it flows into the vacuum. The laser irradiation cycle is 20 Hz, and the amount of Si evaporation per pulse is 2.7 × 10 16 Si atoms. In the mixed region layer with high-density low-temperature He fluid, heat of aggregation is rapidly taken away by repeating collisions with He frequently simultaneously with collisions of Si atoms, and only neighboring Si atoms always collide with each other. A condition is established in which a process of aggregation (cogulation model, in which clusters grow with N = 2 s with respect to the number of collisions s) tends to occur. The initial cluster growth rate is high, and the growth rate rapidly decreases as the growth progresses, and cluster growth converges to a constant size in a fixed time.

時空間閉じ込め型クラスター源で生成したSiNクラスタービームはセルから真空中に噴出して、スキマーを経由して超高真空下で基板に蒸着される。レーザーパルス毎のSi蒸発量の2%以上の高効率でSiNクラスターは基板に蒸着される。クラスタービームは100μs以下の短パルスで基板に飛来し、粒子ビーム電流の尖塔値は2×1016cm-2-1に達し、基板上ではダイナミックな再配列を繰り返して、安定なSiNクラスター超格子が形成される。シリコンクラスター超格子膜は20−50nm程度であることが好ましい。The Si N cluster beam generated by the space-time confined cluster source is ejected from the cell into a vacuum and is deposited on the substrate under ultrahigh vacuum via a skimmer. Si N clusters are deposited on the substrate with a high efficiency of 2% or more of the amount of Si evaporation per laser pulse. The cluster beam travels to the substrate with a short pulse of less than 100 μs, the peak value of the particle beam current reaches 2 × 10 16 cm -2 s -1 , and the dynamic rearrangement is repeated on the substrate, resulting in a stable Si N cluster A superlattice is formed. The silicon cluster super lattice film is preferably about 20 to 50 nm.

シリコンクラスター超格子を用いることにより極薄の高強度薄膜が形成でき、かつ、大気に高エネルギークラスターイオン等を取り出す真空からから取り出すことが可能となった。   By using a silicon cluster superlattice, it is possible to form an ultrathin high-strength thin film, and it is possible to take out from a vacuum where high energy cluster ions and the like are taken out to the atmosphere.

なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。   Note that the examples shown in the above-described embodiment and the like are described to facilitate understanding of the invention, and the present invention is not limited to this embodiment.

本発明のシリコンクラスター超格子膜は、所望の電気特性を有するように制御することが可能であるので、導電体、半導体、絶縁体等を実現可能であり、さらにダイオードなどの各種半導体素子や、真空隔離窓などの極薄の高強度薄膜を必要とする装置に広く利用でき、産業上有用である。   The silicon cluster super lattice film of the present invention can be controlled to have desired electrical characteristics, so that a conductor, a semiconductor, an insulator, etc. can be realized, and various semiconductor elements such as diodes, etc. It can be widely used for devices requiring ultra-thin high-strength thin films such as vacuum isolation windows, and is industrially useful.

1 SiNクラスター超格子
2 p型超格子半導体
3 B原子導入
4 n型超格子半導体
5 メタル電極(アルミ電極)基板
6 メタル電極(銀電極)
11 金属グリッド
12 マイクログリッド
13 グラフェン
14 シリコンクラスター超格子
15 放射線ビーム
16 微生物等試料
20 真空隔離窓

1 Si N cluster super lattice 2 p type super lattice semiconductor 3 B atom introduction 4 n type super lattice semiconductor 5 metal electrode (aluminum electrode) substrate 6 metal electrode (silver electrode)
11 metal grid 12 micro grid 13 graphene 14 silicon cluster super lattice 15 radiation beam 16 microorganism etc. sample 20 vacuum isolation window

Claims (10)

ダイヤモンド結晶構造を有するシリコンクラスターが、シリコン結晶構造の格子定数のほぼ4倍の格子定数をもつ体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子をなすことを特徴とするシリコンクラスター超格子。   A silicon cluster characterized in that a silicon cluster having a diamond crystal structure is arranged in the shape of a body-centered cubic lattice structure having a lattice constant approximately four times the lattice constant of the silicon crystal structure to form a three-dimensional three-dimensional lattice. Super lattice. ダイヤモンド結晶構造を有するシリコンクラスターが、2.043nm以上2.172nm以下の格子定数をもつ体心立方格子構造の形状に配置して立体的な3次元格子をなすことを特徴とするシリコンクラスター超格子。   A silicon cluster superlattice characterized in that a silicon cluster having a diamond crystal structure is arranged in the shape of a body-centered cubic lattice structure having a lattice constant of 2.043 nm to 2.172 nm to form a three-dimensional three-dimensional lattice. . 前記シリコンクラスター同士接して形成する界面以外のシリコンクラスターの表面が3次元的に連続して連なり、該表面で囲まれた間隙空間が超格子内に形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のシリコンクラスター超格子。   The surfaces of the silicon clusters other than the interface formed by contacting the silicon clusters are continuously connected in a three-dimensional manner, and the gap space surrounded by the surfaces is formed in the superlattice. Or 2 silicon cluster super lattices. 前記シリコンクラスターを構成するSiの原子数が200以上256以下であることを特徴とする請求項1又は2記載のシリコンクラスター超格子。   The silicon cluster superlattice according to claim 1 or 2, wherein the number of atoms of Si constituting the silicon cluster is 200 or more and 256 or less. 前記シリコンクラスターを構成するSiの原子数が200以上235以下であり、キャリア伝導性を備えることを特徴とする、請求項1又は2記載のシリコンクラスター超格子。   The silicon cluster superlattice according to claim 1 or 2, wherein the number of atoms of Si constituting the silicon cluster is 200 or more and 235 or less, and the carrier conductivity is provided. 請求項1乃至5記載のいずれか1項記載のシリコンクラスター超格子を半導体として備える半導体素子。   A semiconductor device comprising the silicon cluster superlattice according to any one of claims 1 to 5 as a semiconductor. 請求項1乃至5記載のいずれか1項記載のシリコンクラスター超格子を導電体として備える電子デバイス。   An electronic device comprising the silicon cluster superlattice according to any one of claims 1 to 5 as a conductor. 請求項1乃至5記載のいずれか1項記載のシリコンクラスター超格子を備える電子デバイス。   An electronic device comprising the silicon cluster superlattice according to any one of claims 1 to 5. 請求項1乃至5記載のいずれか1項記載のシリコンクラスター超格子からなる薄膜を備える装置。   An apparatus comprising a thin film consisting of the silicon cluster superlattice according to any one of claims 1 to 5. 請求項1乃至5記載のいずれか1項記載のシリコンクラスター超格子からなる薄膜を備える真空隔離窓。

A vacuum isolation window comprising a thin film consisting of a silicon cluster superlattice according to any one of claims 1 to 5.

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