Characterization and control of defects in low-temperature-grown Bi-based compound semiconductors for novel terahertz wave emitters and detectors
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21K04910
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30010:Crystal engineering-related
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
上田 修 明治大学, 研究・知財戦略機構(生田), 研究推進員(客員研究員) (50418076)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
富永 依里子 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (40634936)
塩島 謙次 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (70432151)
池永 訓昭 金沢工業大学, 工学部, 准教授 (30512371)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | Bi系半導体混晶 / MBE / 低温成長 / 結晶欠陥 / THz波受送信素子 / 欠陥評価 / TEM |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、(In)GaAs結晶内にBi原子とAsアンチサイトを同時に取り込みつつ、短キャリア寿命、高抵抗、高移動度を満たす、1.5 μm帯のInGaAsBiが得られる最適MBE成長条件を明らかにすべく、以下の3つの研究項目を進めて行く。
1)InGaAsとGaAsBiの固相成長の差異に関する知見の獲得
2)低温成長した単結晶GaAsBiの熱処理によるAs凝集体の形成メカニズムの解明およびMBE成長条件の最適化
3)熱処理によるInGaAsBi内のAs凝集体の形成方法の確立とPCAの特性への影響の解明
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和4年度は、研究計画に沿って研究を遂行し、以下の成果が得られた。
(1)今年度、新たに250℃でInGaAsBiを得て、そのX線回折測定とラザフォード後方散乱法(RBS)による測定から、低温成長GaAsBiと比較して成長時の同一のV/III比ではBi組成が低くなる傾向を明らかにした。光通信帯光源が利用可能な光伝導アンテナの作製に向け、禁制帯幅を光通信帯域とした低温成長InGaAsBiを得るため、低温成長InGaAsBiのInとBi両原子の組成制御を可能とするMBE成長条件を見出す必要があることを示す結果となった（富永）。
(2) 前年度に引き続き、低温MBE成長GaAsBi結晶層（成長温度250℃）及び非晶質層（成長温度180℃）を熱処理したものを透過電子顕微鏡法（TEM）により解析した結果、新たに以下のことを明らかにした。まずGaAsBi結晶層では、600℃熱処理により上層部および下層部でそれぞれ、V字状および逆V字状のBi析出物が形成される。また、GaAsBi非晶質層では、熱処理温度が600℃以上で全層単結晶化する一方、BiおよびBi-richなGaAsBi析出物が、薄膜/基板界面近傍にのみ形成される傾向にある（O. Ueda et al., J. Cryst. Growth 601, 126945 (2023)）（上田、池永、富永）。
(3)低温MBE成長GaAsBiに対してフォトコンダクティビィティー(PC)測定を行った。昨年度報告したフォトレスポンス(PR)スペクトルの場合と同様に、ロックイン検出で位相差が発生し、基礎吸収と欠陥に起因するスペクトルの裾野を分離して評価することに成功した。PR特性を中心とした結果をADMETA Plus 2022にて発表し、ポスターアワードを受賞した（塩島、富永）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和4年度は、
1) 250℃でのInGaAsBiのMBE成長を実現し、そのX線回折測定とRBSによる測定から、低温成長GaAsBiと比較して成長時の同一のV/III比ではBi組成が低くなる傾向を明らかにした。
2)また、GaAsBi層の熱処理においては、結晶層で600℃熱処理により上層部および下層部でそれぞれ、V字状および逆V字状のBi析出物が形成されるなどの新しい知見が得られた。
3)さらに、低温MBE成長GaAsBiに対してフォトコンダクティビィティー(PC)測定を行った結果、ロックイン検出で位相差が発生し、基礎吸収と欠陥に起因するスペクトルの裾野を分離して評価することに成功した。
このように、全体として、おおむね当初の計画通り研究が進められたと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度においては、おおむね計画通りの成果が得られたので、次年度は、InGaAsBi薄膜を中心として、当初の計画に従って、薄膜成長と熱処理、微細構造と欠陥の評価および電気的、光学的評価の研究を進めて行く。具体的には、以下の各項目を遂行する。
1) InGaAsBi薄膜の成長条件最適化（Bi組成制御）
2)低温成長でのInGaAsBi結晶層および非晶質層の作製および熱処理
3) 2)の各結晶層の結晶評価（TEMによる微細構造および欠陥の評価、および電気的、光学的評価
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Report
(2 results)
Research Products
(35 results)
