半導体量子細線成長における金属触媒の機能の原子レベルでの解明

• Project Area: 3D Active-Site Science
• Project/Area Number: 15H01054
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (2016); Japan Atomic Energy Agency (2015)
• Principal Investigator: 高橋 正光 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, グループリーダー(定常) (00354986)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2015: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 半導体ナノワイヤ / その場放射光X線回折 / 量子細線 / 量子ビーム / 表面・界面物性 / 結晶成長

Outline of Annual Research Achievements

半導体ナノワイヤは、次世代光・電子デバイスや高効率太陽電池などへの応用可能性とともに、その異方的な形状により、結晶成長の観点からも注目を集めている。半導体量子細線の代表的な成長方法に、金などの金属液滴を触媒としたVapor-Liquid-Solid（VLS）成長がある。この成長において特異的なのは、金属液滴と結晶の界面が成長フロントとなっていることである。このような液体中に誘起された秩序構造は、本質的に乱れを含むこと、および秩序の存在する範囲が自明でないことから、通常おこなわれているような、構造モデルをあらかじめ仮定し、構造最適化する解析方法を適用しにくい。そこで本研究では、放射光施設SPring-8・BL11XUに設置されている化合物半導体成長装置とX線回折計とを一体化した設備を用いて測定したX線CTR（Crystal Truncation Rod）散乱プロファイルのデータに、モデルフリーの構造解析手法であるCTRホログラフィーによる解析を適用することにより、液体／結晶界面の三次元的な電子密度分布を決定した。この結果は、金属液滴を触媒とする量子細線の成長メカニズムの理解に有益であるだけでなく、CTRホログラフィーが固液界面の液体側に形成した不完全な配列構造の解析にも有効であることを示したという意義もある。
半導体ナノワイヤのデバイス応用の観点からは、組成の制御によってバンドギャップを変化させることができるInGaAsナノワイヤの成長が重要である。金触媒を用いたInAsおよびInGaAsナノワイヤ成長のその場X線回折測定により、成長条件の最適化をおこなった。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Influence of indium supply on Au-catalyzed InGaAs nanowire growth studied by in situ X-ray diffraction (2017)
  • Author(s): T. Sasaki and M. Takahasi
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 印刷中 Pages: 135-138
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.113
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Strain relaxation and compositional separation during growth of InGaAs/GaAs(001) (2017)
  • Author(s): R. Deki, T. Sasaki and M. Takahasi
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 印刷中 Pages: 241-244
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2017.01.028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In situ X-ray diffraction of GaAs/MnSb/Ga(In)As heterostructures (2017)
  • Author(s): P. J. Mousley, C. W. Burrows, M. J. Ashwin, M. Takahasi, T. Sasaki, and G. R. Bell
  • Journal Title: Phys. Status Solidi B Volume: 254 Issue: 2 Pages: 1600503-1600503
  • DOI: 10.1002/pssb.201600503
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of growth temperature and growth rate on polytypes in gold-catalyzed GaAs nanowires studied by in situ X-ray diffraction (2016)
  • Author(s): M. Takahasi, M. Kozu, Takuo Sasaki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 55 Issue: 4S Pages: 04EJ04-04EJ04
  • DOI: 10.7567/jjap.55.04ej04
  • NAID: 210000146367
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mechanisms Determining the Structure of Gold-Catalyzed GaAs Nanowires Studied by in Situ X-ray Diffraction (2015)
  • Author(s): M. Takahasi, M. Kozu, T. Sasaki, W. Hu
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 15 Issue: 10 Pages: 4979-4985
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.5b00915
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 放射光その場X線回折による半導体成長機構の解明 (2015)
  • Author(s): 高橋正光
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 Volume: 42 Pages: 201-209
• [Presentation] Atomic order and nucleation at AuGa/GaAs interface studied by in situ X-ray diffraction (2017)
  • Author(s): M. Takahasi
  • Organizer: Nanowire Week 2017
  • Place of Presentation: Scandic Star Hotel & Conference Center (Lund, Sweden)
  • Year and Date: 2017-05-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シンクロトロン放射光を用いた結晶成長プロセス評価 (2017)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
  • Invited
• [Presentation] 放射光X線によるGaAsナノワイヤ成長の微視的機構の解明 (2017)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 日本表面科学会東北・北海道支部学術講演会
  • Place of Presentation: 秋田大学（秋田県秋田市）
  • Year and Date: 2017-03-10
  • Invited
• [Presentation] 半導体ナノワイヤ成長における触媒・基板界面構造 (2017)
  • Author(s): 高橋正光、佐々木拓生
  • Organizer: 第30回日本放射光学会年会
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2017-01-07
• [Presentation] SLiT-Jが描く省エネ基盤材料製造プロセスの設計図 (2016)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所 共同利用ワークショップ
  • Place of Presentation: 東北大学金属材料研究所（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Invited
• [Presentation] 化合物半導体結晶成長のその場放射光X線回折 (2016)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 日本結晶学会平成28年度年会
  • Place of Presentation: 茨城県立県民文化センター（茨城県水戸市）
  • Year and Date: 2016-11-18
  • Invited
• [Presentation] Au/GaAs(111)B界面に誘起される原子配列構造 (2016)
  • Author(s): 高橋正光、佐々木拓生
  • Organizer: 第77回秋季応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Strain Relaxation and Phase Separation during Growth of InGaAs/GaAs(001) (2016)
  • Author(s): R. Deki, T. Sasaki and M. Takahasi
  • Organizer: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
  • Place of Presentation: Nagoya Congress Center (愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 放射光Ｘ線によるエピタキシャル界面形成過程のその場測定 (2016)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 第35回電子材料シンポジウム
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県守山市）
  • Year and Date: 2016-07-06
  • Invited
• [Presentation] In Situ X-Ray Measurement of Changes in Buried Structure during Crystal Growth (2016)
  • Author(s): M. Takahasi
  • Organizer: The 43rd International Symposium on Compound Semiconductor
  • Place of Presentation: 富山国際会議場（富山県富山市）
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] その場X線分析によるナノワイヤ形成機構の解明 (2016)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 公益社団法人応用物理学会 結晶工学分科会主催 第144回結晶工学分科会研究会
  • Place of Presentation: 東京都市大学（東京都）
  • Invited
• [Presentation] 化合物半導体のMBE成長過程のX線を用いたその場観察 (2016)
  • Author(s): 高橋正光
  • Organizer: 日本学術振興会第161委員会第96回研究会
  • Place of Presentation: 主婦会館エフプラザ（東京）
  • Invited
• [Presentation] X-ray diffraction study of evolution of polytypes in Au-assisted GaAs nanowires (2015)
  • Author(s): Masamitu Takahasi, Miwa Kozu, Takuo Sasaki
  • Organizer: the 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In situ X-ray study on polytypism of Au-seeded GaAs nanowires grown by MBE (2015)
  • Author(s): Masamitu Takahasi, Miwa Kozu, Takuo Sasaki
  • Organizer: 5th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures
  • Place of Presentation: Lakeshore Hotel, Hsinchu, Taiwan
  • Year and Date: 2015-09-06
  • Int'l Joint Research