Development of low-loss buffer layer for fabrication and realization of high-performance optical devices on Si substrates

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K20960
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 星井 拓也 東京工業大学, 工学院, 助教 (20611049)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: MBE / III-V族化合物半導体

Outline of Annual Research Achievements

極薄バッファー層を用いたSi基板上III-V族化合物半導体結晶成長は、省資源・低コストの光学素子作製および光電気集積回路の実現に有望である。一般的にIII-V族化合物半導体はSiとの格子定数差が大きく、安定した結晶成長を行うことが難しいが、Si(111)基板上のInAsについては10%以上の格子定数差を持つにもかかわらず高品質な大面積結晶成長が可能であることが報告されている。InAsそのものは狭バンドギャップ材料であり、半導体デバイスとしての応用先は広くはないが、このInAs層をバッファー層とすることで格子定数の近いGaSbをはじめとした比較的用途の広い特性を持った半導体のSi基板上結晶成長が期待される。前年度にMBE装置によりSi(111)基板上に成長した2~10MLのInAs層の面内ひずみをラマン分光法により評価したところ、成長初期には面内に~1.7%の圧縮ひずみが導入されており、10MLまで成長させたInAs膜には~0.4%の引張ひずみが導入されていることがわかった。これは格子定数に換算すると5.94~6.09Åに相当し、10MLの成長でGaSbのバッファーとして有望な格子定数となった。しかしヒーターの不調や、成長条件の最適化不足などにより、平坦なInAs膜が得られていなかったため、InAsバッファー上のGaSb成長につなげるための平坦膜の獲得を試みた。
結果としては、典型的な成長結果としては数十nm程度のアイランド状の成長が起こり、AFMで評価したRMSは 7.5 nmとなった。一部の条件では数百nm程度の平坦領域が得られたもののアイランド状成長と混在しており、RMSは13 nm程度となった。ヒーターの交換でも加熱効率が向上せず、成長前のフラッシングを十分に行えない状況にあったため、成長初期の核形成が安定して行われず、十分な平坦性が得られなかったと考えられる。