| はじめに |
| 第1章 序論 1 |
| 1.1 薄膜の特徴 1 |
| 1.2 薄膜作製法の分類 3 |
| 1.3 本書の構成 7 |
| 第2章 薄膜物性の基礎 9 |
| 2.1 導電体薄膜 9 |
| 2.1.1 導電体薄膜の電気特性 9 |
| A.不連続膜 12 |
| B.連続膜 17 |
| 2.1.2 薄膜導電材料 23 |
| 2.1.3 電流による拡散効果;エレクトロマイグレーション 25 |
| 2.2 半導体薄膜 27 |
| 2.2.1 半導体の基本特性 27 |
| A.電気特性 27 |
| B.光学特性 34 |
| 2.2.2 半導体へテロ接合 43 |
| 2.2.3 超格子 46 |
| A.超格子の種類 46 |
| B.多次元閉じ込め超格子 47 |
| C.超格子の光学特性 49 |
| 2.2.4 半導体多結晶薄膜 52 |
| A.化合物半導体多結晶薄膜 53 |
| B.元素半導体多結晶薄膜 56 |
| 2.2.5 アモルファス半導体 60 |
| 2.2.6 薄膜半導体材料 64 |
| 2.3 誘電体薄膜 66 |
| 2.3.1 電気絶縁性 66 |
| A.オーミック伝導 66 |
| B.バルク制限型伝導 67 |
| C.注入制限型伝導 68 |
| 2.3.2 常誘電性 73 |
| A.誘電分極 73 |
| B.誘電率の複素数表示 74 |
| C.誘電緩和 76 |
| D.調和振動子モデル 78 |
| E.誘電分極の電界・.温度依存性 79 |
| 2.3.3 強誘電性 80 |
| A.強誘電性 80 |
| B.キュリー-ワイス則 82 |
| C.強誘電性発現の機構 82 |
| 2.3.4 光学的性質 83 |
| 2.4 磁性体薄膜 85 |
| 2.4.1 常磁性 85 |
| A.磁化と磁性 85 |
| B.磁気モーメント 86 |
| C.磁界と磁気モーメントの相互作用 87 |
| 2.4.2 強磁性 89 |
| A.分子磁場理論 89 |
| B.磁気モーメントの相互作用 90 |
| C.磁化の履歴現象と磁区構造 92 |
| 2.4.3 強磁性体薄膜 93 |
| A.磁気異方性 93 |
| B.軟磁性体 95 |
| C.硬磁性体 95 |
| 2.4.4 磁気抵抗効果 96 |
| A.磁気抵抗効果 96 |
| B.異方性磁気抵抗効果 96 |
| C.巨大磁気抵抗効果 97 |
| D.超巨大磁気抵抗効果 100 |
| 2.4.5 磁気光学効果 100 |
| A.カー効果 100 |
| 2.5 超伝導体薄膜 101 |
| 2.5.1 超伝導 101 |
| A.超伝導転移 101 |
| B.エネルギーギャップ 102 |
| C.コヒーレンス長 104 |
| D.完全導電性 104 |
| E.マイスナー効果 105 |
| F.磁束の侵入深さ 106 |
| G.磁束の量子化 107 |
| H.臨界磁界 108 |
| I.臨界電流 109 |
| J.表面(境界)エネルギー 110 |
| 2.5.2 薄膜効果 111 |
| A.超伝導体の薄膜化 111 |
| B.超伝導体の薄膜効果 111 |
| C.臨界磁場と臨界電流 113 |
| 2.5.3 ジョセフソン効果 113 |
| A.ジョセフソン接合 113 |
| B. 直流ジョセフソン効果 114 |
| C.ジョセフソン電流の磁界依存性 115 |
| D.ジョセフソン侵入深さ 117 |
| E.交流ジョセフソン効果 118 |
| F.トンネル接合のI-V特性 119 |
| 参考文献 120 |
| 第3章 薄膜成長の基礎 125 |
| 3.1 気相中の物質輸送 125 |
| 3.1.1 分子運動論 125 |
| A.気体分子の平均速度 125 |
| B.衝突頻度 126 |
| C.平均自由行程 127 |
| D.無衝突で分子が移動する平均面間隔 127 |
| E.分子の拡散 128 |
| F.粘性係数 130 |
| G.分子流と粘性流 131 |
| 3.1.2 原料分子の流束 131 |
| A.分子流条件下の原料輸送 132 |
| B.粘性流条件下の原料輸送 134 |
| 3.2 原料分子の分解と反応 136 |
| 3.2.1 反応速度と反応次数 136 |
| 3.2.2 複合反応 137 |
| 3.2.3 気相素反応 140 |
| A.遷移状態理論 140 |
| B.単分子反応 142 |
| 3.2.4 原料分子の熱分解 146 |
| A.熱分解速度の測定 147 |
| B.熱分解の素過程解析 151 |
| 3.2.5 原料間反応 154 |
| A.低温反応 154 |
| B.高温反応 157 |
| 3.2.6 H2キャリアガスとの反応 160 |
| 3.3 原子・分子の表面過程 162 |
| 3.3.1 表面構造 163 |
| A.Si 164 |
| B.GaAs 167 |
| 3.3.2 表面構造と吸着・拡散 172 |
| 3.3.3 表面反応 180 |
| 3.4 薄膜成長過程 188 |
| 3.4.1 薄膜成長様式 188 |
| 3.4.2 非晶質、多結晶、単結晶 195 |
| 3.4.3 ヘテロエピタキシー 200 |
| A.格子定数の不整合 202 |
| B.極性/無極性の不整合 204 |
| C.熱膨張係数の不整合 205 |
| 3.5 多結晶薄膜の構造 205 |
| 3.5.1 多結晶薄膜の形成 205 |
| 3.5.2 結晶粒界 206 |
| A.粒界の構造 206 |
| B.界面エネルギー 208 |
| 3.5.3 多結晶薄膜の微細構造 209 |
| A.多結晶薄膜の配向性 209 |
| B.柱状構造と球状構造 209 |
| C.Thorntonの分類 211 |
| D.膜厚の効果 213 |
| 3.5.4 多結晶薄膜の応力 213 |
| A.内部応力の大きさ 213 |
| B.内部応力の原因 215 |
| C.密着性 215 |
| 3.6 固相拡散 216 |
| 3.6.1 固相拡散の一般論 216 |
| A.固相拡散 216 |
| B.拡散深さ 216 |
| C.固相拡散の微視的モデル 218 |
| D.点欠陥が媒介する拡散 218 |
| 3.6.2 Siの熱酸化 220 |
| A.表面酸化 220 |
| B.Si表面酸化のモデル 221 |
| 参考文献 222 |
| 第4章 薄膜成長のシミュレーション 229 |
| 4.1 シミュレーションの基礎理論 229 |
| 4.1.1 計算物質科学の概要 229 |
| 4.1.2 分子軌道法 234 |
| A.ボルン-オッペンハイマー近似 234 |
| B.平均場近似(1電子近似) 235 |
| C.基底関数展開 235 |
| 4.1.3 密度汎関数法 236 |
| 4.1.4 量子分子動力学法 238 |
| 4.1.5 古典分子動力学法 239 |
| 4.1.6 モンテカルロ法 244 |
| 4.2 シミュレーション技術 245 |
| 4.2.1 分子動力学法の理論体系 245 |
| 4.2.2 拡張系の分子動力学法 247 |
| A.温度・圧力一定の分子動力学法 247 |
| B.化学ポテンシャル一定の分子動力学法 251 |
| 4.2.3 周期境界条件 253 |
| A.薄膜の境界条件(二次元週奇異境界条件) 253 |
| B.表面の境界条件 254 |
| C.薄膜成長シミュレーションの境界条件 254 |
| 4.2.4 数値積分法 255 |
| A.ベルレ法 257 |
| B.ギア法 258 |
| C.多重時間刻み法 259 |
| 4.3 ポテンシャル関数 260 |
| 4.3.1 ポテンシャル関数の分類 261 |
| A.原子間ポテンシャル関数 261 |
| B.分子間ポテンシャル関数 262 |
| C.微粒子間モデルポテンシャル関数 262 |
| 4.3.2 ペアポテンシャル関数 263 |
| A.レナード・ジョーンズポテンシャル 263 |
| B.BMHポテンシャル 264 |
| 4.3.3 ペア汎関数ポテンシャル関数 265 |
| 4.3.4 クラスターポテンシャル関数 268 |
| A.SWポテンシャル 268 |
| B.有機分子の力場 269 |
| 4.3.5 クラスター汎関数ポテンシャル 270 |
| 4.4 薄膜成長・表面再構成のシミュレーションの実例 272 |
| 4.4.1 分子軌道法.密度汎関数法の実例 272 |
| 4.4.2 量子分子動力学法の実例 274 |
| 4.4.3 古典分子動力学法の実例 276 |
| A.LJモデル物質系のMBEシミューレーション 277 |
| B.金属表面と金属クラスターの衝突への応用 283 |
| C.その他の適用例 286 |
| 4.4.4 モンテカルロ法の実例 287 |
| 参考文献 291 |
| 第5章 薄膜成長技術 294 |
| 5.1 原料供給技術 294 |
| 5.1.1 はじめに 294 |
| 5.1.2 ターゲットからの原料供給 294 |
| 5.1.3 固体原料の融解蒸発あるいは昇華 297 |
| 5.1.4 気体原料の導入 300 |
| 5.1.5 液体原料・溶液原料の輸送と気化 303 |
| 5.1.6 溶液の散布・塗布 304 |
| 5.1.7 有機薄膜 306 |
| 5.2 励起活性化成長技術 306 |
| 5.2.1 光励起 307 |
| A.光励起の原理 307 |
| B.光分解 309 |
| C.光励起による薄膜成長 311 |
| 5.2.2 プラズマ励起 319 |
| A.プラズマの発生 319 |
| B.プラズマ励起による反応過程 322 |
| C.プラズマ励起薄膜成長 325 |
| 5.3 超薄膜成長技術 326 |
| 5.3.1 原子層エピタキシー(ALE) 326 |
| A.ALEの原理 326 |
| B.ALEの成長機構 328 |
| C.ALEによる薄膜成長 333 |
| 5.3.2 モニターを用いる方法 336 |
| 5.3.3 単原子ステップを用いる方法 337 |
| 5.4 選択成長技術 338 |
| 5.4.1 マスクを用いる方法 339 |
| 5.4.2 マスクを用いない方法 343 |
| 5.5 コンフォーマル成長と埋め込め成長 346 |
| 5.5.1 はじめに 346 |
| 5.5.2 コンフォーマル成長 347 |
| A.段差被覆性 347 |
| B.原料分子の付着確率 348 |
| C.コンフォーマル成長の実例 349 |
| 5.5.3 埋め込み成長 351 |
| A.コンフォーマル成長による埋め込み 351 |
| B.選択成長による埋め込み 352 |
| C.原料分子流束の方向制御による埋め込み 352 |
| D.流動化による埋め込み 353 |
| 5.6 熱処理技術 354 |
| 5.6.1 はじめに 354 |
| 5.6.2 固相成長 355 |
| A.絶縁膜上の単結晶成長 355 |
| B.バッファー層の形成 356 |
| C.低温相からの高温相形成 357 |
| 5.6.3 結晶欠陥の低減 358 |
| 5.6.4 熱処理装置 359 |
| 5.7 モニタリングおよびその場観察 362 |
| 5.7.1 モニタリング 367 |
| 5.7.2 その場観察 367 |
| A.気相観察 368 |
| B.表面観察 369 |
| 参考文献 374 |
| 第6章 主要材料の薄膜成長 379 |
| 6.1 金属薄膜 379 |
| 6.1.1 はじめに 379 |
| 6.1.2 金属薄膜応用の指針 379 |
| 6.1.3 代表的な金属薄膜の成膜技術 383 |
| A.スパッタリング法を用いた金属成膜-AlとTiNを中心に 383 |
| B.CVD法 392 |
| 6.1.4 まとめ 400 |
| 6.2 SiGe-Si IV族半導体材料 401 |
| 6.2.1 Si低温成長 401 |
| 6.2.2 UHV-CVD装置 402 |
| 6.2.3 成長速度制御と画内均一性 402 |
| 6.2.4 選択成長 404 |
| 6.2.5 表面上水素のサーファクタント効果 408 |
| 6.2.6 不純物のドーピング 411 |
| 6.2.7 SiGeのデバイス応用 415 |
| 6.3 SiC 416 |
| 6.3.1 SiCの性質 416 |
| 6.3.2 SiC単結晶の成長技術と応用 417 |
| A.LPE法 417 |
| B.CVD法 418 |
| C.分子線エピタキシー法 420 |
| 6.3.3 SiCの多結晶の成膜技術と応用 421 |
| 6.3.4 まとめ 421 |
| 6.4 ダイヤモンド 422 |
| 6.4.1 ダイヤモンドの成膜方法とその比較 422 |
| A.熱フィラメントCVD法 422 |
| B.マイクロ波プラズマCVD法 423 |
| C.直流プラズマジェット法 423 |
| D.燃焼炎法 424 |
| 6.4.2 ダイヤモンド状硬質炭素膜(DLC膜) 426 |
| 6.4.3 ダイヤモンドとDLCの特性と評価 427 |
| 6.4.4 ヘテロエピタキシー 427 |
| A.Si(001)基板上のヘテロエピタキシャル核形成と高配向膜の成長 428 |
| B.Pt(111)基板上へのヘテロエピタキシャル成長 429 |
| 6.5 Ⅲ-V族化合物 429 |
| 6.5.1 ヒ素系、リン系化合物 429 |
| A.ヒ素系、リン系化合物デバイスと成長技術 429 |
| B.MOVPEにおけるヒ素系、リン系混晶成長機構 434 |
| C.MOVPE成長におけるAs/P界面の形成過程 437 |
| 6.5.2 窒化物系 438 |
| A.はじめに 438 |
| B.GaN結晶成長 440 |
| C.p型GaNの正孔補償機構 442 |
| D.InGaN 結晶成長 445 |
| E.InGaN 単一量子井戸構造LED 446 |
| F.InGaN 多重量子井戸構造レーザーダイオード 447 |
| 6.6 Ⅱ-VI族化合物 454 |
| 6.6.1 特性と製法 455 |
| 6.6.2 応用 460 |
| 6.6.3 まとめ 462 |
| 6.7 酸化物 462 |
| 6.7.1 強誘電体薄膜 462 |
| A.はじめに 462 |
| B.強誘電体薄膜のデバイス応用 463 |
| C.ペロブスカイト型複合酸化物の結晶構造と物性 473 |
| D.強誘電体薄膜の作製方法と薄膜構造 477 |
| E.強誘電体薄膜の課題 480 |
| 6.7.2 光学薄膜 483 |
| A.光学部品への応用 483 |
| B.機能性光デバイスへの応用 483 |
| 6.7.3 透明導電性薄膜 486 |
| A.透明導電膜の物性 488 |
| B.透明導電膜材料開発 489 |
| C.成膜技術 490 |
| 6.7.4 高温超伝導薄膜 493 |
| A.はじめに 493 |
| B.超伝導薄膜材料 494 |
| C.基本形成プロセス 497 |
| D.エピタキシャル成長 500 |
| E.基板材料 500 |
| F.原子層制御蒸着 502 |
| G.実用化薄膜技術 504 |
| H.まとめ 506 |
| 参考文献 507 |
| 付録 517 |
| 索引 520 |
