本研究の構成、背景および目的を述べた。

　第2章では、エキシマレーザー照射により形成された半導体層の電気物性とその形成機構を調べた。試料には面祖度が3nmになるよう鏡面研磨した純度99.99%のチタン酸ストロンチウム(SrTiO₃)単結晶を用いた。空気中・常温でその表面上にKrFエキシマレーザー(波長:248nm)を、フルエンス50〜600mJ/cm²、パルス幅18ns、周波数1Hz、ショット数20の条件で照射を行った。電気測定としてはIn-Ga合金を電極として用い、直流2端子法による電流(I)-電圧(V)特性およびVan der Pauw法によるホール係数の測定を行った。走査型電子顕微鏡(SEM)による表面観察では、フルエンス200mJ/cm²でクラックやクレーターの形成、それ以上のフルエンスでは不均質な凹凸が見られ、融点まで温度上昇が起こっていることがわかった。フルエンス100mJ/cm²以上のエキシマレーザー照射によりSrTiO₃の表面抵抗は>10¹³(/cm²)から10⁴(/cm²)に低下し、それ以上のフルエンスではほぼ一定になった。また、XeClレーザー(波長:308nm)でも、フルエンス200mJ/cm²以上で同様の変化がみられることがわかった。ホール測定の結果から、比抵抗0.2[cm]、移動度5.4[cm²V^-1sec^-1]、電子濃度5.4×10¹⁸[cm^-3]であることが見積もられた。この値は、ドナードープおよび還元された試料の値と近いことから酸素欠陥の生成が考えられた。XPSによる表面電子状態分析の結果では、酸素O1sメインピーク近傍に大きなサブピークが観察された。このサブピークの発現は、酸素欠陥をもつペロブスカイト構造型酸化物でみられ、またその分子軌道計算でも推定されている。以上の結果から、レーザー光エネルギーを吸収して生じる熱エネルギーにより酸素空孔が生成し、それから放出される電子によりn型半導性を示していると考えられる。

　粒界層型(BL)コンデンサは、粒子半導体化ためのドナー(Nb₂O₅)を添加した上での還元焼成および粒界絶縁体するための金属酸化物(CuO、PbO、Bi₂O₃等)塗布とその熱拡散によって作製され、非直線の電流-電圧特性が観測される。第3章では、レーザー照射効果が多結晶セラミックスでも生じることを確認するため、焼成を空気中で行って試料を作製し,その表面上にエキシマレーザーを照射してバリスタ層の形成を試みた。焼結助剤としてSiO₂添加、金属酸化物(PbO、Bi₂O₃)粒界拡散処理を行い、未研磨面にKrFエキシマレーザー照射(フルエンス300mJ/cm²)を行った。試料では、非直線指数(＝△logI/△logV)が5.2となる非直線電流-電圧特性がみられた。これらから、粒界にアクセプタが存在し、かつ試料表面の粒界部が溝状で第二相(SiO₂および粒界拡散物質)が析出している試料では、レーザー照射による半導体化が粒界部で生じにくいため、粒界電位障壁が維持され非直線電流-電圧特性がみられたものと考えられた。

　第4章では、エキシマレーザー照射による酸化物表面での機能性半導体構造の形成の第1歩として、SrTiO₃単表面結晶に1ミクロン程度の狭い未照射部分を挟むようにレーザー照射を行い、半導体-絶縁体-半導体(n-i-n)構造を作製し、その電気物性を調べた。SEMの観察により、300mJ/cm²のレーザーの照射部と未照射部の境界は波形となっており、未照射部端部でもクラックが生成していることがわかった。この構造において、非直線指数が3〜4の非直線I-V特性がみられた。しかし、同条件で作製した試料においても、電流が急増する電圧(立ち上がり電圧)や非直線指数にはばらつきが見られた。このような特性の違いは、照射部からの熱の不均質な伝導により未照射部での実際の高抵抗部の幅が変化したためと考えられる。非直線領域の電流密度(J)の電場(E)依存性は、InJ＝aE^1/2+b(a,b定数)の関係式を示した。これより本構造では,照射部の半導体化により照射部と未照射部の界面に電位障壁が生じており、印加電圧により電位障壁が低下して半導体領域から絶縁層へ電子放出が生じるショットキー効果によるものと考えた。また上記の関係式から,1.1〜1.2eVの障壁高さが見積もられた。

　第4章の方法では、絶縁層の幅の精密な制御が困難であったため、第5章では、酸化銅(CuO)細線を形成、熱処理した後、全面にレーザー照射することにより、n型-p型-n型半導体(npn)構造を作製しその電気物性を調べた。光リソグラフィ技術を用いて、SrTiO₃単結晶上に幅1m、高さ300nmの酸化銅(CuO)細線をスパッタリングにより形成した後,エキシマレーザー(300mJ/cm²)を全面照射した。レーザー照射前後の表面について、SEMによる形状観察およびX線マイクロアナライザ(EDX)、X線光電子分光(XPS)による化学組成分析を行った。この結果熱処理により,CuO層から表面方向に約0.5m、深さ方向に約0.3mまでCuが拡散していることがわかった。またレーザー照射により表面のCuO拡散層は消失した。ホール係数測定により,CuO拡散層はレーザー照射前後ともp型半導性を示すことが確認された。電流-電圧特性の測定から、n型半導体表面、p型半導体表面ではオーミックな特性を示すが,npn構造では非直線指数が7の非オーミック特性を示すことが明らかになった。これらより、本手法が非直線電流-電圧特性を示すnpn構造の形成に有用であることが明らかになった。

　第6章では、Cu固溶SrTiO₃多結晶体,およびCuO拡散とレーザー照射により単結晶SrTiO₃表面に形成したpn接合の電気物性評価を行い、それらからpn界面とnpn構造の電気伝導機構を考察した。SrTiO₃多結晶体の格子定数は、1.6mol%までのCuO添加量の増大とともに増加した。また、ホール係数測定から1.6mol%CuO固溶試料でp型半導性が確認された。陽イオン半径の考察から、Cu²⁺はTi⁴⁺に置換固溶し、同時に格子中に取り込まれる酸素によりp型半導性があらわれるものと考えられる。Pn接合では電流-電圧特性に整流性が確認された。Pn接合では電流-電圧特性の理論式との比較から,また,npn構造では容量-電圧の特性の測定から、界面に高い密度の界面準位が存在していることが示唆された。Npn構造の電位障壁高さ(約1.1eV)、界面準位密度(約10¹⁴cm^-2)、非直線指数(約7)は、SrTiO₃系バリスタで報告されている値に近いことから、本手法によりSrTiO₃系バリスタと類似の疑似粒界構造が形成されていることが示唆された。

　第7章では本研究で得られた結果をまとめ、将来の研究への展望を示した。本研究により、レーザー照射を用いることにより、絶縁性酸化物表面でのn型半導体層の形成,およびCuO拡散と組み合わせることにより非直線電流-電圧特性をもつnpn半導体構造を形成することが可能であることが示された。本研究の手法は、酸化物単結晶表面の任意の位置にマイクロエレクトロニクスデバイスを形成する手法として有効であると考えられる。