2021 Fiscal Year Annual Research Report
その場観察法による各種半導体材料の固液界面不安定化現象の解明と高温物性値の決定
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21H04658
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
藤原 航三 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (70332517)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前田 健作 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40634564)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 固液界面 / 半導体 / その場観察 / 結晶粒界 / ファセット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、単成分半導体、混晶半導体、化合物半導体の固液界面不安定化現象を明らかにし、固液界面物性を測定することを目的としている。本年度は、その場観察装置を用いて、Si，SixGe1-x，Sb，InSbの固液界面現象の観察実験を行った。混晶半導体SixGe1-xにおいては，広い組成範囲でデンドライト成長の形状を観察することに成功し，いずれの組成においてもSiと同タイプのファセットデンドライトが成長することを確認した。また，一方向凝固過程において，結晶中に平行双晶が存在していると，平坦な固液界面が不安定化する前にデンドライト成長が開始することを明らかにした。純Sbでは，平坦な固液界面が不安定化するとファセット面で囲まれたジグザグ状の固液界面が形成されることを示した。従来の報告では、純Sbがファセット性の物質かノンファセットの物質化がはっきりしていなかったが，本研究によりファセット性の物質であることが明らかになった。また、Sbの｛1-112}面がファセット面であることを明らかにした。化合物半導体InSb多結晶の固液界面観察も行った。固液界面における粒界位置での不安定化によりファセット面で囲まれた粒界グルーブが形成され、グルーブ内の融液が急速成長することによって双晶界面が形成される様子を直接観察することに成功した。Si多結晶の固液界面観察では、固液界面において2つの結晶粒界の衝突により新たな結晶粒界が形成される様子を観察することに成功した。また、本研究で対象としている材料の一つであるCdTeの結晶成長実験用の新規結晶成長炉を導入した。
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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
本研究では、単成分半導体、混晶半導体、および化合物半導体の固液界面不安定化現象を明らかにし、さらに固液界面エネルギーなどの高温物性値を決定することを目的としている。
これまでにSiについては、固液界面の観察に多くの実績があったが、混晶半導体や化合物半導体に関しては、現有のその場観察装置を用いて固液界面観察が可能であるかどうか不明な点もあった。しかしながら、本年度は、SixGe1-x混晶半導体、InSb化合物半導体、InSbの構成成分である純Sbの固液界面観察を実施し、いずれの材料の固液界面も明瞭に観察できることが分かった。これらの材料に関しては、平坦な界面が不安定化により形状変化する様子やデンドライト成長が発現する様子を直接観察することに成功し、論文発表することができた。また、GaSb（化合物半導体）やSbxBi1-ｘ（混晶半導体）の固液界面観察実験にも着手しており、両材料においても明瞭に固液界面を観察できることがわかった。さらに、揮発性の高いCdTe（化合物半導体）専用の実験装置を導入し、次年度以降に実験できる体制を整えた。このように、本研究で対象としている全ての材料において、目的としている固液界面不安定化現象を観察できる目途が立ち、目標達成に向けて順調に研究が進捗していると考えている。一方、高温物性値の決定には、成長速度を変えた際の界面形状の詳細な解析が必要であり、データの蓄積に一定の時間がかかるため次年度以降に具体的成果が得られる予定である。
以上より、研究は計画通り順調に進んでいると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、各種半導体材料を対象に固液界面不安定化現象を明らかにすることを目的としており、本研究で得られる知見は結晶成長の基礎学問の発展だけでなく、高品質バルク結晶を得るための指針にもなる。今後も、その場観察実験を主体に研究を進め、基礎的な知見を蓄積していくことに軸足を置く。本年度、実験手法に関してはほぼ確立されたため、次年度以降も問題なく研究を進捗させることができると考えている。余力があれば、得られた基礎的知見をバルク結晶の成長条件に反映させて、実際にバルク結晶の作製も行っていきたい。近年欧米ではCdTe結晶を放射線検出器に実装する試みが開始されており、CdTe結晶を搭載した高度医療機器開発の分野で日本が遅れをとっている。本研究では、CdTeも研究対象としており、基礎的に有用な知見が得られれば高品質CdTeバルク結晶の作製へと展開していく予定である。
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[Journal Article] Dendritic Growth in Si1－xGex Melts2021
Author(s)
Genki Takakura, Mukannan Arivanandhan, Kensaku Maeda, Lu-Chung Chuang, Keiji Shiga, Haruhiko Morito, Kozo Fujiwara
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Journal Title
Crystals
Volume: 11
Pages: 761-1 - 761-10
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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