半導体用語集

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半導体用語集

表面反応

英語表記:surface reaction

表面反応には表面自身が反応するものと表面の触媒作用による触媒反応の二つがある。これらの事柄は金属の表面での現象として研究されてきた。表面自身の反応については、たとえば腐食、防食にも応用されている。さらに触媒作用については、多くの化学製品の製造に大いに役立っている。最近は環境汚染物質の分解などの分野で注目を浴びている。半導体の表面自身の反応の例としてSi表面の酸化について述べる。Si表面上の酸化膜はデバイスを作るうえで重要な役割を担っている。一般にSi 表面の酸化は、酸素または水分子雰囲気中で加熱処理をすることで行われる。酸素を用いる場合の酸化の素過程は酸素の吸着である。室温で吸着する場合、酸素は解離してバックボンドに入り込む。続く酸素はすでに存在する酸化膜を酸素分子として透過して酸素と反応していないSi に到達してボンドを切り安定する。化学量論的にSiO2となるまで酸化は進行する。閉殻分子のH2、N2、CO、などは室温では吸着しない。ただし、タングステンフィラメントや、イオン銃で作った水素原子や窒素原子はSi表面と反応する。半導体の触媒作用は酸化チタン(TiO2)を用いた光電極の触媒作用がよく知られている。一般に水を電気分解し酸素と水素をえる場合水分子を解離しなければならない。この解離に必要なエネルギーは外部より電気エネルギーとして供給される。半導体のTiO2と白金を電気分解の電極として用いる時、TiO2は陽極、、白金は陰極として働く。上の二つの電極を電解液に浸し、TiO2に紫外光を当てる。TiO2は光を吸収して価電子帯の電子(e-)を伝導体に励起する、その時、価電子帯にホール(h+)を生じる。価電子帯に生じたh+は電極表面に移動して水分子(H2O)と反応する。この時h+はH2Oを参加するのに十分なエネルギーを持っている。すなわちTiO2表面から酸素を発生する。一方伝導体に励起されたe-は白金電極に達しここで水素イオンを還元して水素を発生する。光源として太陽光を用いる場合、紫外光のみを利用するので効率が悪い。最近は酸化チタンの代りにシリコン上にダイヤモンド薄膜をコートした電極を使うことにより二酸化炭素を分解する試みもなされている。