共同研究
立 S21-02

SiC( 0001 ) および SiC( 000 1 ) 表面上の Ni シリサイド反応によるグラフェン層の形
成

Graphen on SiC( 0001 ) and SiC( 000 1 ) Surface Grown by Ni-silicidation Reaction
米田 知晃 a, 渋谷 誠 b, 光原 圭 b, A. Visikovskiy b, 星野 靖 c, 城戸 義明 b
Tomoaki Yoneda a, Maokoto Shibuya b , Kei Mitsuhara b, Anton Visikovskiy b,
Yasushi Hoshino c, Yoshiaki Kido ba

福井工業高等専門学校, b 立命館大学, c 神奈川大学a
Fukui National College of Technology, bRitsumeikan University, cKanagawa University
本稿では，6H-SiC(0001) および 6H-SiC( 000 1 ) 表面上で約 800˚C で生じる Ni シリサイド反応によって成長するグラフェン層の構造について述べる．シリサイド反応は Ni(10 ML)/SiC に対して 400˚C 以上で生じ，両方の基板に対して 500˚C で一様な Ni2Si(111) - 3 × 3 層が成長する．800˚C のアニールにより，SiC(0001) および SiC( 000 1 ) 表面上に約 65%の占有率を持つグラフェン層が島状成長した Ni シリサイドの周りに成長する．高分解能イオン散乱法により，SiC(0001) および SiC( 000 1 ) 上の C-Si 層および Si-C 層上にそれぞれ 1 原子層および 2 原子層のグラフェン層が成長することを明らかにした．
This paper presents the structure of graphene grown on 6H-SiC(0001) and SiC( 000 1 ) surfaces via
Ni-silicidation reactions at temperatures around 800˚C. Silicidation reactions take place attemperatures higher than 400˚C for Ni(10 ML)/SiC and a uniform and epitaxial Ni2Si(111) - 3 × 3
layer grows at 500°C for both substrates. Annealing at 800°C leads to growth of ordered graphite
layers on both SiC( 000 1 ) and SiC(0001) surfaces with an occupation ratio of ~65 %, which surroundthe Ni-silicide islands. High-resolution ion scattering analysis reveals that mono- and doublelayer of graphite grow on the C-Si and Si-C bilayers of the SiC( 000 1 ) and SiC(0001), respectively.
キーワード: グラフェン，SiC，光電子分光，中エネルギーイオン散乱

背景と研究目的： 1 層だけのグラファイト層を通常グラフェン層と呼び，その特異な電子状態によって関心の高い材料である[1]． 今までグラフェン層の形成には，グラファイトからの剥離，TaC などの金属表面上への成長[2]，SiC 基板の加熱処理[3]などが行われている．現在，SiC 基板上でのグラフェン層の成長方法が制御性良く最も有望と考えられている．我々は，以前に Ni 蒸着した SiC 基板の加熱処理によりグラフェン層が成長することを報告している[4]．
本稿では，超高真空中で熱処理を行った
Ni/SiC(0001)と Ni/SiC( 000 1 )の原子構造および電子状態をより詳細に分析した結果について述べる．組成分析を layer-by-layer 分析が可能な高分解能中エネルギーイオン散乱（MEIS）で行い，化学結合の情報をシンクロトロン放射光を用いた光電子分光法（SR-PES）によって得た．
実験：

今回の実験は立命館大学 SR センター

SORIS ビームライン（BL-8）で行った 試料に
は n 型 6H-SiC(0001) および 6H-SiC( 000 1 ) 基板（Cree 社）を用いた．この試料を改良型 RCA洗浄後に真空チャンバーに導入し，約 600 ºC で5 時間の脱ガス処理を行った．MBE を用いた 3-5
ML（1ML: 1.21×1015 atoms/cm2）の Si 蒸着後，SiC(0001)と SiC( 000 1 )に対して，1000ºC と950ºC で 5 分間の赤外線アニール処理を行い，6H-SiC(0001) - 3 × 3 と 6H-SiC( 000 1 )-2×2清浄表面を形成した．室温へのクールダウン後，それぞれの清浄表面に対して 10ML の Ni を蒸着，400-800 ºC の赤外線アニールを行った．
MEIS 測定では，蒸着した Ni および表面 C の絶対量とアニール後に形成された Ni シリサイドの組成比を決定した．SR-PES では，C 1s と Si 2pコアレベルをそれぞれ 390，140 eV の光子エネルギーで測定した．これらの試料作製，MEIS測定および SR-PES 測定を in-situ で行った．

結果，および，考察： 10 ML の Ni を蒸着したSiC( 000 1 )基板のアニール前と 400, 500, 800ºC
で 2 分間の赤外線アニール後の Si 2p コアレベル
スペクトルを Fig. 1 に示す．400ºC のアニールでは，Ni 層が存在している．SiC( 000 1 ) に対して500 ºC のアニールで一様な Ni2Si エピタキシャル層が形成されている. 一方，SiC(0001) については，Ni2Si が主成分であるが，NiSi，NiSi2の 2 成分も混在している．RHEED パターンは，の EB の値が DG/SiC ( 0001 ) からの値よりも 0.5eV 大きい．加えて，MG に対する半値幅（1.2 eV）
は，DG の半値幅（1.5 eV）よりもかなり小さい．
この結果は，TaC(111)上に成長した MG と DG に対する EB および半値幅の測定結果に一致する[2]．
MIES 測定および C 1s スペクトルから，800 ºCの熱処理により，Si 面では DG が，C 面では MGが形成されることが分かった．

3 × 3 構造を示し，これは Ni2Si エピタキシ
ャル層の成長を表す．
hν=140eVθe=0°A2

Photoemission Intensity (arb. units)

A1
as-deposited

400°C
NiSi

Ni2Si

100

99500°C

800°C

102

10198

Binding Energy (eV)Fig. 2. MEIS spectra observed for (a) Ni(10ML)/SiC(0001) and (b) Ni(10ML)/ SiC (000 1 ) annealed at
800˚C for 2 min.

Fig. 1. Si 2p core level spectra observed at photon
energy of 140 eV for Ni(10 ML)/SiC (000 1 ) , as grown
and annealed at 400, 500 and 800˚C.

10ML の Ni を蒸着した SiC(0001) およびSiC( 000 1 ) 基板に対する 800ºC で 2 分間の赤外線アニール後の MEIS スペクトルとベストフィットしたシミュレーション・スペクトルを Fig. 2に示す．この測定スペクトルは，島状成長したNi シリサイドと薄膜のグラフェン層の仮定に一致する．Ni シリサイドの占有率は，SiC(0001) および SiC( 000 1 ) 共に 35%であり，その周りには薄膜のグラフェン層が形成されている．また，
Si 面および C 面における C からの散乱スペクト
ルから，Si 面の場合は 2 原子層のグラフェン層（DG），C 面の場合は 1 原子層のグラフェン層（MG）が形成されていることが分かる．
Fig. 3 に，グラファイト層の C 1s コアレベルスペクトルを示す．この結果から 800 ºC でのア
ニール後には，非常に強いグラファイトのピークが生じており，表面にグラフェン層が形成していることが分かる．MG/SiC ( 000 1 ) からの C 1s

Fig. 3. C 1s core level spectra observed at photon
energy of 390 eV under normal emission condition.

参考文献
1) K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D.
Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva andA.A. Firsov, Science 306 (2004) 666.
2) A. Nagashima, H. Itoh, T. Ichinokawa and C.
Oshima, Phys. Rev. B 50 (1994) 4756.
3) T. Ohta, A. Bostwick, T. Seyller, K. Horn and E.
Rotenberg, Science 313 (2006) 951.
4) Y. Hoshino, S. Matsumoto, T. Nakada and Y. Kido,
Surf. Sci. 556 (2004) 78.