2016 Fiscal Year Research-status Report
ＧａＮ結晶のメゾスコピックなスケールでのひずみ場と表面再構成構造の研究
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15K04667
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| Research Institution | Japan Women's University |
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Principal Investigator |
秋本 晃一 日本女子大学, 理学部, 教授 (40262852)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 化合物半導体 / Ｘ線回折 / 結晶工学 / メゾスコピック / 窒化ガリウム / シンクロトロン放射光 / 格子ひずみ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
省電力技術と地球環境問題への貢献において大いに期待されるワイドギャップ半導体であるＧａＮは、光デバイスばかりでなく電子デバイスとしての期待も大きい。しかし、電子デバイスへの応用に際しては、さらなる結晶欠陥の低減が必要とされている。さらに欠陥の種類や数の同定だけでなく、欠陥周辺の広い範囲での微小なひずみ場の測定も求められている。本研究では、微小に傾いたμｍオーダーのメゾスコピックなスケールの結晶グレインの解明および制御がＧａＮ結晶のさらなる結晶性の向上の鍵をにぎると考え、その詳細を明らかにすることを目的とする。また、ＧａＮ結晶の表面再構成構造の解明が表面近傍のひずみとともに、その後の基板上の薄膜成長に大きな影響を与えると考え、その関係を明らかにすることも目的としている。
高エネルギー加速器研究機構の放射光科学研究施設のシンクロトロン放射光を利用し、Ｘ線トポグラフの撮影にＣＣＤカメラを用いて、トポグラフ像を詳細に解析することにより、ｍ面及びｃ面のＧａＮ結晶についてμｍオーダーでの結晶面の傾きのずれ（⊿θ）と結晶の面間隔の伸縮（⊿ｄ）を分離し画像として可視化した。
本年度は、結晶面の傾きのずれ（⊿θ）と結晶の面間隔の伸縮（⊿ｄ）の画像のほかに、回折強度曲線の半値幅を、結晶の各点について、強度を画像から抽出することにより求め、画像として再び表示することに成功した。これまで得られている２つの画像とあわせて、今後、欠陥の詳細を明らかにできることが期待される。
また、本年度は新たに超高真空装置を立ち上げ、加熱中に試料から放出される気体の種類を四重極型質量分析計で解析する実験を開始した。昨年度までの反射高速電子線を用いた実験で示唆された構造変化について、本年度は、室温での表面構造を詳細に解析するために、シンクロトロン放射光を用いたＸ線ＣＴＲ散乱の測定を開始した。
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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
シンクロトロン放射光を用いたＸ線トポグラフィーの手法でメゾスコッピクなスケールで結晶面の傾きのずれ（Δθ）と面間隔の伸縮（Δd/ｄ）を分離し測定する実験については順調に行うことができた。また、回折強度曲線の半値幅を、結晶の各点について回折強度を画像から抽出することにより求め、再構成して画像として表示することに成功した。これらの３つの画像から結晶欠陥の詳細が解析できるようになった。また狭い領域の画像を合成することにより、広い面積の変化を観察するため解析方法を明らかにした。
反射高速電子回折法(ＲＨＥＥＤ)による表面再構成構造解析に関する研究については、構造変化の試料作製方法依存性を明らかにした。また、加熱中に試料から放出される気体の種類を四重極型質量分析計で解析した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に得られた結果を基にして、ＧａＮ結晶の表面近傍のひずみに関する研究を行う。ＧａＮ結晶の表面近傍のひずみはその後の結晶成長に大きな影響を与え、デバイス特性にも影響を与える可能性がある。本研究では、結晶の研磨や表面処理に着目し、表面近傍のひずみや凹凸を測定する方法の一つであるＸ線ＣＴＲ散乱法により研究を行う。また、極端に非対称なＸ線回折の実験も行う。極端に非対称なＸ線回折の光学系では、用いるＸ線の波長を変えることにより、結晶への侵入深さを自由に制御できる。各種の研磨条件あるいは表面処理条件による表面近傍のひずみの違いを深さを特定して定量化する。定量化には動力学的回折理論を必要とするが、動力学的回折理論に基づく計算についての研究を開始し、最適な実験条件を明らかにし、実験を行う。
また、Ｘ線トポグラフィー法による結晶グレインに関する研究も前年度に引き続き行い、Ｘ線ＣＴＲ散乱法や極端に非対称なＸ線回折法の実験結果と照らし合わせ検討する。
表面近傍の構造について前年度に引き続き、表面再構成構造に着目し、反射高速電子線を用いて研究を行う。またさまざまな製法で作製された試料について、加熱中に試料から放出される気体の種類を四重極型質量分析計で解析する実験を本格的に行う。特に構造を詳細に研究するために、構造の違いによる回折強度の計算を電子線及びＸ線の場合について精密に行う。
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| Causes of Carryover |
本研究ではＸ線トポグラフの実験の一部は高エネルギー加速器研究機構・放射光科学研究施設のビームライン１４Ｂを共同利用して実施している。ビームライン１４Ｂは超伝導ウィグラーを用いて縦偏光を実現する特殊なビームラインである。しかし、経年劣化のためこの超伝導ウィグラーが真空悪化のため修理が必要となり、２０１６年度の途中から、ビームライン１４全体が長期閉鎖となった。そこで本研究では、トポグラフの実験のうち、高分解能の実験を行うことができなくなり、その分の旅費が本年度は使用されず、次年度使用額となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
２０１６年度後期から始まったＸ線ＣＴＲ散乱の実験の実験を次年度本格的に行うために必要な旅費として使用する。これまでの研究で、Ｇａ原子が表面構造の安定化に寄与しているとの結果も報告されている。そこで、２０１７年度より超高真空中で表面上にＧａ原子を吸着させる実験を行う実験も企画している。そのための蒸着源の整備にも研究費を使用する。また、研究の最終年度でもあり、日本物理学会や応用物理学会での研究発表の旅費にも研究費を使用する予定である。
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[Presentation] Characterization of GaN Crystals with X-ray topography2016
Author(s)
Yuko Kitano, Satoko Miyakawa, Emiko Inoue, Koichi Akimoto
Organizer
Joint Symposium 2016, Ewha Womans University, Japan Women’s University and Ochanomizu University for the promotion and research for women in science
Place of Presentation
Ewha Womans University, Seoul, Korea
Year and Date
2016-12-06 – 2016-12-08
Int'l Joint Research
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