半導体鉄シリサイドの分子線エピタキシーとSi系発光ダイオードの研究開発

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450121
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 長谷川 文夫 筑波大学, 物質工学系, 教授 (70143170)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 末益 崇 筑波大学, 物質工学系, 講師 (40282339)
• Keywords: 鉄シリサイド / 発光ダイオード / ダブルヘテロ構造 / フォトルミネッセンス / 分子線エピタキシー / 光接続 / 凝集

Research Abstract

Si基根上にエビタキシャル成長可能な直接遷移型半導体鉄シリサイド(β-FeSi_2)は、その発光波長(λ〜1.5μm)が光ファイバの最小吸収波長にあるため、Si IC間の電気配線に代わる光接続用の発光素子材料として注目されている。光デバイスとして利用する際には、キャリアと光子の両者の閉じ込めが期待されるp-Si/β-FeSi_2/n-Siダブルへテロ構造の作製が重要である。本年度は、その前段階としてβ-FeSi_2をSi結晶中に埋め込み、PL発光を確認することを目的に下記の実験を行った。β-FeSi_2からのPL発光は、これまでイオン打ち込み法により作製されたβ-FeSi_2から確認されているが、イオン打ち込みの際にSi基板に多数の欠陥が導入されるため、高温での長時開アニールが必要であるという問題を抱えている。本研究では、熱したSi基板に鉄を蒸着するReactive Deposition Epitaxy(RDE)法を用いるため、Si基板中に発生する欠陥はより少ないと考えられる。
まず、n-Si(001)基板上に基板温度470℃でFeを蒸着速度0.1Å/sで蒸着するRDE法により膜厚20nm,10nm,3nmと膜厚の異なるβ-FeSi_2膜をエピタキシャル成長した。結晶性向上を目的としてMBEチャンバ内で850℃、30分のアニールを行ったところ、β-FeSi_2膜は島上に凝集した。この上に、基板温度750℃でSiのMBE成長を行ったところ、それぞれの試料に直径150-200nm(#1),100-l20nm(#2),50-70nm(#3)の単結晶β-FeSi_2球が埋め込まれていた。12KでArレーザ励起(514.5nm)でPL測定したところ、直径100-120nmのβ-FeSi_2球を含む試料#2から明瞭なl,5μmのPL発光を確認した。このPL発光は、RDE法で作製されたβ-FeSi_2として初めてである。その他の2つの試料からは、PL発光を確認出来なかった。試料#1では、β-FeSi_2球が大きいため、周囲のSi結晶中に転位による深い準位が形成されていることが、DLTS測定から分かった。また、試料#3では、X線回折より、金属相であるα-FeSi_2がβ-FeSi_2球に混入していることが分かった。これらが非発光再結合中心として働いたため、PL発光強度がβ-FeSi_2球の大きさにより違っていたと考えられる。

Research Products

• [Publications] 末益 崇: "Aggregation of Monocrystalline β-FeSi_2 by Annealing and by Si Overlayer Growth" Japanese Journal of Applied Physics. 36巻・9AB. L1225-L1228 (1997)
• [Publications] 末益 崇: "Magnetotransport Properties of a Single-Crystalline β-FeSi_2 Layer Grown on Si(001) Substrate by Reactive Deposition Epitaxy" Japanese Journal of Applied Physics. 37巻・3B. L333-L335 (1998)
• [Publications] 末益 崇: "RDE法によるSi/β-FeSi_2/Si(001)構造の作製" 日本結晶成長学会誌. 25巻・1. 46-54 (1998)
• [Publications] 末益 崇: "Photolumirescence from Reactive Deposition Epitaxy (RDE) Grown β-FeSi_2 Balls Embedded in Si Crystals" Japanese Journal of Applied Physics. 37巻・12B. L1513-L1516 (1998)
• [Publications] 末益 崇: "Fabrication of p-Si/β-FeSi_2 Balls/n-Si Structures by MBE and their Electrical and Optical Properties" Journal of Luminescence. (1999)
• [Publications] 田中 雅也: "Formation of β-FeSi_2 Layers on Si(001) Substrates" Japanese Journal of Applied Physics. 36巻・6A. 3620-3624 (1997)