詳細な説明　

　コンピュータやスマートフォンなどの情報機器は、Siを基板とした半導体デバイスによって制御されており、その計算処理性能は、集積回路（IC）中におけるトランジスタの数で決まります。Si基板上にトランジスタを構成する重要なプロセスの一つが、酸素(O₂)ガスにさらし酸化膜を成長させることでゲート絶縁膜と呼ばれる部位を作製することです。近年、IC中のトランジスタ数は数十億個に達しており、非常に小さなトランジスタをSi基板上に構成しなくてはいけません。そのためにはゲート絶縁膜としておよそ1nmレベルの酸化膜を作ることが不可欠です。これほどの薄さでは、わずかな欠陥（原子の抜けてできた穴）が、消費電力の増加や誤動作を引き起こすなどの問題があるため、欠陥の少ない良好な絶縁膜を作製するために、酸化反応を理解し制御する必要があります。しかし、このような非常に薄い膜厚領域において、酸化膜の成長を支配する反応機構は十分に理解されていませんでした。

　本研究では、大型放射光施設SPring-8^注３（兵庫県佐用町）の原子力機構専用ビームラインBL23SUを利用し、Si表面の酸化反応をX線光電子分光法^注４という手法で調べました。高輝度、高分解能の放射光により高速でデータを取得することで、酸化反応が進み化学状態が変化していく様子をリアルタイムで観察することができます。
　Si基板上における酸化膜すなわちSiO₂の成長は、酸化膜表面からO₂が取り込まれて内部に拡散していき、SiO₂/Si界面で反応するという流れで進行します。これまで、SiO₂/Si界面でのO₂の反応は、Si-Si結合とO₂が直接反応しSi-O-Si結合を生成するという流れで起こると考えられていました。一方で、このような反応にはO₂が高い運動エネルギーをもつ必要があることも知られています。O₂ガスによる酸化ではO₂分子のもつ平均運動エネルギーは低いため、この説明は矛盾しています（図1（a））。
　本研究では、SiO₂/Si界面における欠陥に着目しました。SiO₂/Si界面ではSiO₂生成にともなう体積膨張のため、大きな歪みがかかっています。この歪みにより界面では欠陥の生成が引き起こされることが知られています（図２）。我々はこれまでの研究で、この欠陥でO₂が反応していることをつきとめました（関連文献）。しかし、どのように欠陥で反応が起こっているかは不明のままでした。この点に関し、欠陥にキャリアが結びつくことで化学的に反応がしやすい状態となり、O₂と反応するのではないかと予想し、放射光を用いたリアルタイム光電子分光測定により実証しました。さらに、生じた反応しやすい欠陥において、O₂が分子のまま吸着することを見出しました。その後O₂はO原子に解離し、Si-O-Si結合を形成します。このような分子状吸着を介する反応経路はエネルギーを必要としません（図1(b)）。よって、上記のような矛盾は起こらず、実験事実を自然に説明することができました。
　以上のように、SiO₂/Si界面におけるO₂の反応は欠陥での分子状吸着を介したプロセスで進行し、その反応過程でSi基板のキャリアが関与するという新しい反応メカニズムを提案しました。