2016 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale characterization of singularity structures and behaviors thereof
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06423
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
酒井 朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20314031)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
今井 康彦 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 副主幹研究員 (30416375)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノビームX線回折 / 3次元逆格子マッピング / 結晶性断層マッピング / ナノボイド / 転位 / 圧電応答特性 / 時間分解 / ポンプ＆プローブ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、高空間・高角度分解能ナノビームX線回折法（nanoXRD法）による3次元逆格子マッピング解析技術を確立した。本技術を用いて、転位・ナノボイド等の特異構造を有する窒化物半導体結晶における格子面傾斜・回転等の格子面微細構造に対する結晶膜厚方向の変化を定量的に抽出することで、窒化物半導体結晶内に意図的に配列させたナノボイド群は結晶膜厚方向に対する格子面微細構造の変動を抑制する効果を持つことがわかった。また、nanoXRD法による結晶性断層マッピング解析技術を新規に開発した。これにより、組成傾斜層を有する半導体結晶積層構造の面内および深さ方向の格子面微細構造変化を3次元かつ定量的に抽出し、半導体結晶積層構造深部に分布する転位群が誘発する局所的格子面傾斜が最表層部にまで引き継がれることを明らかにした。
さらに、特異構造を有する窒化物半導体結晶の電場に応答する局所ナノ領域の格子変形挙動（圧電効果）を捉えるため、新規に圧電応答原子間力顕微鏡（PFM）を導入した。予備的な実験の結果、単一結晶内に酸素不純物濃度の異なる領域が分布するGaNバルク単結晶の表面において、酸素不純物濃度に依存して圧電応答特性に違いが生じることを見出した。
SPring-8のビームライン光学系に関しては、試料の局所構造変化のダイナミクスを時間分解nanoXRDによって明らかにするための測定システムの整備を行った。時間分解を、放射光Ｘ線パルスと同期した電界を試料に印加するポンプ&プローブ法を用いて行うにあたり、同期システムの評価実験の結果、100 ps 程度の分解能で時分割測定が出来ることを確認した。
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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
当該年度は、これまでに我々が注力してきた結晶特異構造解析評価の最有力手段であるnanoXRD法をさらにブラッシュアップした。特に、3次元逆格子マッピング解析技術を確立すると同時に、結晶性断層マッピング解析技術を新たに開発することで、結晶の面内のみならず、深さ方向の分析も可能にする評価手段が確立された。また、次年度以降、外場に応答する特異構造のダイナミクスを明らかにするための準備として、放射光Ｘ線パルスと同期した電界を試料に印加するポンプ&プローブ法を開発し、予備的な実験によって、psオーダーの構造変化の観測が可能であることを確認している。以上より、当該年度の研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
nanoXRD法による結晶性断層マップ解析技術は、評価対象となる半導体結晶中に組成傾斜層、すなわち格子定数が連続的に変化する層が予め設計されている系に適用できる解析技術である。一方で、半導体結晶積層構造における結晶深さ方向の結晶情報を抽出するには、回折X線が、X線侵入深さ方向に沿う、結晶内のどの位置から生じたものかを精密に計測する必要がある。そのため、半導体結晶表面から所望の結晶深さまでのX線回折強度を選択的に抽出する回折ビームプロファイラーを利用した深さ分解nanoXRD法とその解析技術を開発し、窒化物半導体結晶における特異構造の結晶性改善効果を3次元かつ定量的に明らかにしていく予定である。
また、窒化物半導体結晶の電場に応答する局所ナノ領域の格子変形挙動の解明にあたっては、他班から供給される窒化物半導体結晶・デバイスを対象に、PFMによる転位・ナノボイド等の特異構造に起因した局所ナノ領域の圧電応答特性評価を進める。
さらに、nanoXRDによる特異構造のダイナミクス観測に向けて、装置にマウントした状態の試料に電界を印加するための配線について検討を行い、実際に電極を付けた試料の局所分極歪み測定を行う予定である。
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