宇宙などの微小重力環境に於けるInGaSb化合物半導体の溶解と結晶化に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11694144
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 熊川 征司 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (30022130)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 早川 泰弘 静岡大学, 電子工学研究所, 助教授 (00115453) ; 山口 十六夫 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40010938) ; 平田 彰 早稲田大学, 理工学部, 教授 (00063610) ; 小澤 哲夫 静岡理工科大学, 理工学部, 講師 (90247578) ; 岡野 泰則 静岡大学, 工学部, 助教授 (90204007)
• Keywords: 微小重力環境 / 化合物半導体 / ガリウム アンチモン / インディウム アンチモン / インディウム ガリウム アンチモン / 一方向凝固法 / 落下塔実験 / 数値解析

Research Abstract

宇宙などの微小重力環境に於けるInGaSb化合物半導体の溶解と結晶化に関する知見を得るために、昨年度実施した航空機と落下塔を利用した微小重力環境下実験試料の解析を行った。また、InGaSb結晶成長の地上予備実験では、温度勾配をさらに大きくし、均一組成のInGaSb結晶成長条件を調べた。数値解析では、三次元モデルを用いて、マランゴニ対流が溶液内対流や濃度分布に及ぼす効果を解析した。
1.落下塔実験から、微小重力環境下では、地上と比べて、GaSbとInSbの溶解速度が速くなることが分かった。これは、微小重力下では熱対流が小さくなるため、熱輸送が遅くなり、結晶の溶解が促進されたためであった。
2. 落下塔を利用して、自由空間のある試料で、InGaSb結晶が成長する様子を高速ビデオでその場観察した。その結果、半球の結晶が成長することや、温度が低下するにつれて、In組成比の高い突起物が形成されることがわかった。
3.均一組成比のInGaSb結晶成長条件を調べるために、GaSb/InSb/GaSbサンドイッチ構造試料を用いて一方向性凝固法による地上実験を行った。種結晶温度648℃、昇温速度20℃/min、保持時間40時間、冷却速度0.5℃/minの時、電気炉の温度勾配を20℃/cmまで大きくした場合、InGaSb結晶の組成比が成長につれて低くなった。昨年度の結果を考慮すると、アンプルを移動させない場合には、10℃/cmの温度勾配が最適であることがわかった。
4.マランゴニ対流の有無や重力レベルの関数として溶液内の対流、温度分布、濃度分布を数値解析した結果、マランゴニ対流がある場合、流れに振動が発生することが明らかとなった。これは、濃度差対流の向きとマランゴニ対流の向きが反対方向であるため、流れの相互作用が起こるためであった。
5.垂直型の電気炉を作成し、温度分布の最適化をはかった。
今後の課題として、宇宙実験において均一組成のInGaSb単結晶を成長させるための最適条件を調べることである。

Research Products

• [Publications] T.KIMURA,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Dependence of Dissolution and Growth Processes of Compound Semiconductors on Crystal Surface Orientation"The Japan Society of Microgravity Application. 15. 472-475 (1999)
• [Publications] Y.OKANO,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Numerical Simulation of Ocillatory Flow in Melt during InSb Single Crystal Growth by RF Heating Czochralski Method"Int.J.Numerical Modeling. 11. 289-298 (1999)
• [Publications] K.BALAKRISHNAN,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Preparatory Terrestrial Growth of InGaSb for the Crystallization in Space "Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 213-216 (1999)
• [Publications] N.SHIBATA,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al: "Preliminary Experiments of InGaSb Growth in the Space Station"Proc.50^<th> International Astronautical Congress. 1-7 (1999)
• [Publications] Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al: "Experimental and Numerical Investigations on Dissolution and Recrystallization Processes of GaSb/InSb/GaSb under Microgravity and Terrestial Conditions"J.Crystal Growth. 213. 40-50 (2000)
• [Publications] 早川泰弘,熊川政司 他: "微小重力下と地上におけるGaSb/InSb/GaSb試料の溶解実験と数値解析"静岡大学電子工学研究所研究報告. 34. 1-7 (2000)
• [Publications] A.HIRATA,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Effect of Gravity on the Melting of In-Sb Melt"Int.J.Applied Electromagnetics in Materials. 10[6]. 527-536 (2000)
• [Publications] T.OZAWA,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "3-Dimensional Analysis of Flow Patterns and Temperature Profiles for the Growth of InGaSb by Rotational Bridgman Method"Computer Modeling in Engineering & Sciences. 1[1]. 1-5 (2000)
• [Publications] S.UMEMURA,Y.OKANO,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al: "Marangoni Convection Effect on the Melting of GaSb/InSb/GaSb Sandwich Structured Sample"Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 28-31 (2000)
• [Publications] T.NAKAMURA,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "A Comparative Analysis on the Crystallization of InGaSb under Reduced Gravity using Parabolic Flight of an Airplane and Normal Gravity Conditions"Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 367-370 (2000)
• [Publications] N.MURAKANI,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Drop Tower Experiments on the Melting of GaSb and InSb"Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 371-374 (2000)
• [Publications] H.KOMATSU,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Solidification of InGaSb under Reduced Gravity using a Drop Tower"Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 375-378 (2000)
• [Publications] S.ABE,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Crystallization of InGaSb in Preparation for the Futher Space Experiment under Microgravity"Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 379-382 (2000)
• [Publications] H.ADACHI,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Effect of Heating Rate on the Dissolution Process of GaSb into InSb Melt"Proc.Joint International Conference on Advanced Science and Technology. 383-386 (2000)
• [Publications] T.OZAWA,Y.HAYAKAWA,M.KUMAGAWA et al.: "Advances in Computational Engineering Sciences (Edited by Satye N.Atluri and Frederick W.Brust)"Tech Science Press. 6 (2000)