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格子不整合Sr/H-Si(111)における埋もれた水素単原子層界面の中性子反射率測定

Neutron reflectometry of buried monatomic hydrogen layer at the hetero-interface in a highly mismatched Sr and H-terminated Si(111)

山崎 竜也; 山崎 大  ; 朝岡 秀人  ; 田口 富嗣; 社本 真一  ; 豊島 安健*

Yamazaki, Tatsuya; Yamazaki, Dai; Asaoka, Hidehito; Taguchi, Tomitsugu; Shamoto, Shinichi; Toyoshima, Yasutake*

新機能物質を用いた高集積化デバイス構造の作製には、格子不整合を克服できる新たなヘテロエピタキシー法の開発が重要である。Si基板上にSrTiO$$_{3}$$(高誘電体ゲート絶縁膜)を形成する際、そのテンプレートとなるSr層の単結晶成長は、Siとの大きな格子不整合のため困難となっていた。それに対してわれわれは、Si表面を水素終端しておくことにより、Siと12%の格子不整合を克服してSr単結晶のヘテロエピタキシャル成長に成功した。そこで大きな格子不整合を克服させた具体的な界面構造に関して検討を行った。1原子層の水素がかかわる埋もれたヘテロ界面構造の検討のため、水素終端Si基板上にSrを蒸着させながら多重内部反射フーリエ変換赤外分光法(MIR-FTIR)により界面Si-H伸縮振動のその場観察を行い、またSrエピ終了後の埋もれたヘテロ界面構造は中性子反射率測定法(NR)を用いて評価した。MIR-FTIRを用いたその場観察では、Sr蒸着量の増加に伴い界面Si-Hの結合状態に変化が認められ、中性子反射率プロファイルには、水素・重水素終端Si基板の散乱長密度に由来する差異が確認された。これらの結果は、埋もれた界面での水素の存在を示しており、その水素が最初の結合状態を変化させてこのヘテロエピ界面の構成要素となっていることを示唆している。

Strontium (Sr) is a well-known template on Si for a highly-desirable transistor gate material SrTiO$$_{3}$$. Sr layers are grown epitaxially on hydrogen-terminated Si(111) surface despite the large lattice mismatch of 12%. However, there are still many unclear points concerning the specific interface structure. We need to study how the buried monatomic hydrogen layer behaves to manage the large mismatch. In order to clarify its buried hetero-interface structure related to monatomic hydrogen layer, Si-H bonding states are in situ monitored during Sr growth by Multiple Internal Reflection Fourier Transform Infrared (MIR-FTIR) spectroscopy, and the buried hetero-interface between Sr layer and Si(111) surface is investigated by ex situ neutron reflectometry (NR). FTIR has shown change of Si-H bonding states caused by the Sr growth at the initial monolayer growth stage. Furthermore, we have found the difference in neutron reflectivity profiles between the Sr layers grown on H- and D-terminated Si substrates. These results suggest the existence of buried monatomic hydrogen layer at the hetero-interface acting as an effective component of interface structure to manage the high lattice mismatch.

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