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半導体用語集

表面拡散

英語表記：surface diffusion

　結晶表面に吸着した原子、分子、原子クラスタなどの吸着子の、主にホッピングによる表面上のランダムな移動を表面拡散と呼ぶ。吸着子は表面上でエネルギー的に安定ないく種類かの定まった位置にのみ吸着し、これらの位置を吸着位置と呼ぶ。吸着子は吸着位置間のポテンシャル障壁を熱的に飛び越えて移動（ホッピング）し、拡散を引き起こす。拡散の起こりやすさは表面拡散係数Dで表わされ、表面拡散は通常、結晶内のバルク拡散にくらべて大きな拡散係数を持つ。これは、安定位置間のポテンシャル障壁の高さが表面では結晶内より低いことによる。表面拡散係数Dは一般的に下記の熱活性化型の温度T依存性を持ち、高温領域で表面拡散は起こりやすくなる。
　　　D = va² exp( -Eₐ/kT)
ここで、vは振動数因子、aはホッピ ング距離、Eₐはポテンシャル障壁による活性化エネルギー、kはボルツマン定数を表わす。vは10¹¹～10¹³S⁻¹、aは1Å程度、Eₐは0.1eVから数eV程度の大きさを持つ。
　表面拡散により個々の吸着子の表面上の位置Xはランダムに変化する。時間tの間の変位⊿xの2乗平均〈⊿x²〉は下式で与えられ、時間tに比例して増加する。
　　　〈⊿x²〉= 2Dt
吸着子濃度cが一様でない場合は、表面拡散により吸着子濃度の高い場所から、低い場所に向かって濃度勾配∇cに比例して吸着子の流れ（拡散フラックス）Jが生じる。
　　　J = -D∇c
　表面拡散は、結晶成長、表面形態変化、表面構造変化などで重要な役割をする。結晶の気相成長では、吸着子が再蒸発による寿命τの間に表面拡散により動ける距離、拡散長λsが結晶成長モードを決める重要な因子になる。
　　　λs = √(Dτ)
λsが結晶表面の原子ステップ間隔より大きな場合は、吸着子がステップ端に取り込まれて結晶成長するステップフロー成長、逆の場合はテラス上の核形成による核形成成長となる。単結晶表面が湾曲している場合の熱平衡状態での吸着子濃度は、Gibbs Thomsonの定理により凸部では高くなり凹部では低くなる。表面拡散により凸部から凹部への拡散フラックスが生じ、凹凸構造は緩和され平坦になる。緩和速度の測定から表面拡散係数が巨視的に評価される。微視的な評価は、電界イオン顕微鏡（FIM）や走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いて、結晶表面上の吸着子位置変化の直接測定からなされている。

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