外力印加による均質合金半導体結晶の作製と固液界面不安定性制御に関する基礎的研究

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23360343
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 岡野 泰則 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90204007)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高木 洋平 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (40435772) ; 早川 泰弘 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453) ; 水口 尚 琉球大学, 工学部, 助教 (70432200)
• Keywords: 結晶成長 / 数値解析 / 外力印加 / 界面

Research Abstract

シリコン-ゲルマニウム(Si/Ge)合金半導体バルク単結晶に代表される、成分間の密度差が大きい半導体混合融液から、均質で高品質な合金を作製するための方法法を確立するために、磁場、電場、回転といった外力が融液内の混合状態はもとより、作製された結晶の均質性や、結晶育成界面の安定性にどのような影響を及ぼすかを理論的、実験的に検討した。本年度の主な成果は以下のようである。
1.バルク結晶成長数値解析の高速化
既に申請者らが有している自作の数値解析コードを実際の実験と操作条件等を一致させるために既存の解析コードを並列化し高速化を行った。
2.バルク結晶成長数値解析
上記で高速化したプログラムを用い、電場、磁場、回転を組み合わせた解析を開始した。特に界面形状が平坦となり、また異常成長の原因である低融点部分の発生が無い条件を探索した。また無次元数の組み合わせと対流モードとの関連を示すマップを提案した。今年度は特に計算領域を融液と結晶部に限定したが、今後結晶領域までを考慮したグローバル計算に拡張する。
3.バルク結晶作製実験
実際の結晶成長時の固液界面形状をX線透過実験で直接観察した。同時に,育成した結晶を切断、研磨、エッチングを施し、光学顕微鏡で観察した。これらの結果を数値計算結果と比較し数値計算結果の健全性について確認した。現在上記1の結果と組み合わせ、より実用的な大きさの結晶成長を模擬しうる計算を遂行中である。また海外共同研究者であるカナダ、Victoria大学、Dost教授が8テスラの磁場下で作製した結晶に関しても数値解析結果と比較している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究代表者と分担者、海外共同研究者との連絡が密にできており、実際に顔を合わせての打ち合わせも頻繁に行える状況にあるため、相互の成果の突合せも順調で、概ね当初の予定通りに目的達成に向かっている。

Strategy for Future Research Activity

現在、研究は当初の予定通り順調に進行しており、今後の計画の変更は不要である。むしろ当初予定通りに研究を行うことが、今後の研究推進に重要である。

Research Products

• [Journal Article] A numerical simulation study of the effects of crucible rotation and magnetic fields in growth of SiGe by the traveling heater method (2012)
  • Author(s): Y.Takagi, Y.Okano, S.Dost
  • Journal Title: J.Heat Transfer Volume: 134 Pages: 012301-1-012301-7
  • DOI: 10.1115/1.4004803
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal growth of InGaSb alloy semiconductor at International Space Station : preliminary experiment (2011)
  • Author(s): M.Arivanandhan, G.Rajesh, T.Koyama, Y.Momose, K.Sankaranarayanan, A.Tanaka, Y.Hayakawa, T.Ozawa, Y.Okano, Y.Inatomi
  • Journal Title: J.Jpn.Soc.Microgravity Appl. Volume: 28 Pages: S46-S50
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of solutal convection on the dissolution of GaSb into InSb melt and solute transport mechanism in InGaSb solution : Numerical simulations and in-situ observation experiments (2011)
  • Author(s): G.Rajesh, M.Arivanandhan, N.Suzuki, A.Tanaka, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, T.Ozawa, Y.Inatomi, Y.Takagi, Y.Okano, Y.Hayakawa
  • Journal Title: J.Crystal Growth Volume: 324 Pages: 157-162
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2011.04.019
  • Peer Reviewed
• [Presentation] In_xGa_<1-x>Sb混晶半導体結晶成長過程に及ぼす重力及び炉内温度勾配の影響 (2012)
  • Author(s): 延岡雅弘, 高木洋平, 伴貴彦, 岡野泰則, 早川泰弘, 田中昭
  • Organizer: 化学工学会第77年会
  • Place of Presentation: 工学院大学(東京都)
  • Year and Date: 20120315-20120317
• [Presentation] 温度差と濃度差に起因するマランゴニ対流の共存効果と回転の効果に関する数値解析 (2012)
  • Author(s): 水口尚, 大城義彦, 宮里馨一郎, 儀間悟, 高木洋平, 岡野泰則
  • Organizer: 化学工学会第77年会
  • Place of Presentation: 工学院大学(東京都)
  • Year and Date: 20120315-20120317
• [Presentation] Alternate effects of thermo-solutal Marangoni convection on flow patterns in a floating half zone (2012)
  • Author(s): H.Minakuchi, Y.Okano, K.Mizoguchi, S.Gima, S.Dost
  • Organizer: The 14th Asia Pacific Conf.Chem.Eng.(APCChE 2012)
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 20120221-20120224
• [Presentation] Growth of homogeneous Si_<1-x>Ge_x and Mg_2Si<1-x>Ge_x for thermoelectric application (2012)
  • Author(s): Hayakawa, M. Arivanandhan, M.Omprakash, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, A.Tanaka, H.Tatsuoka, A.Ishida, Y.Okano, Y.Inatomi, D.K.Aswal, S.Bhattacharya, D.Thangaraju, S.Moorthy Babu
  • Organizer: Int.Conf.Recent Trend in Adv.Materials
  • Place of Presentation: Vellore, India(招待講演)
  • Year and Date: 20120220-20120222
• [Presentation] X線透過法によるGe融液中へのSi溶解過程のその場観察 (2012)
  • Author(s): Omprakash Muthusamy, Arivanandhan Mukannan, 森井久史, 青木徹, 小山忠信, 百瀬与志美, 田中昭, 池田浩也, 立岡浩一, 岡野泰則, 小澤哲夫, 稲富裕光, Sridharan Moorthy Babu, 早川泰弘
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] 混晶半導体バルク結晶の溶質輸送に対する重力効果(30分) (2012)
  • Author(s): 早川泰弘, Arivanandhan Mukannan, Rajesh Govindasamy, 小山忠信, 百瀬与志美, 森井久史, 青木徹, 田中昭, 岡野泰則, 高木洋平, 小澤哲夫, 阪田薫穂, 稲富裕光
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-15
• [Presentation] InGaSb混晶半導体の結晶成長シミュレーション (2011)
  • Author(s): 高木洋平, 延岡雅弘, 伴貴彦, 岡野泰則, 早川泰弘, 田中昭
  • Organizer: 第25回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府)
  • Year and Date: 20111219-20111221
• [Presentation] Grid refinement study of half-zone configuration of the floating zone growth (2011)
  • Author(s): H.Minakuchi, Y.Takagi, Y.Okano, K.Mizoguchi, S.Gima, S.Dost
  • Organizer: Inter-Academia 2011
  • Place of Presentation: Iasi, Romania
  • Year and Date: 20110926-20110929
• [Presentation] ハーフ・ゾーン型FZ内の温度差と濃度差に起因するマランゴニ対流の共存効果に関する数値解析 (2011)
  • Author(s): 水口尚, 儀間悟, 高木洋平, 岡野泰則
  • Organizer: 化学工学会第43回秋季大会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学(愛知県)
  • Year and Date: 20110914-20110916
• [Presentation] Numerical simulation of the dissolution process of GaSb into InSb melt under normal and microgravity conditions (2011)
  • Author(s): Y.Takagi, N.Suzuki, Y.Okano, A.Tanaka, Y.Hayakawa, S.Dost
  • Organizer: The 28th Int.Symp.Space Tech.Sci.(28th ISTS)
  • Place of Presentation: Okinawa, Japan
  • Year and Date: 20110605-20110612
• [Presentation] Three-dimensional numerical simulation of thermal and solutal Marangoni convection in a liquid bridge under zero-gravity field (2011)
  • Author(s): H.Minakuchi, Y.Takagi, Y.Okano, T.Nosoko, S.Gima, S.Dost
  • Organizer: The 28th Int.Symp.Space Tech.Sci.(28th ISTS)
  • Place of Presentation: Okinawa, Japan
  • Year and Date: 20110605-20110612
• [Presentation] Current state of alloy semiconductor crystal growth project under microgravity (2011)
  • Author(s): Y.Inatomi, K.Sakata, Y.Hayakawa, A.Tanaka, T.Ozawa, Y.Okano, T.Ishikawa, M.Takayanagi, S.Yoda, Y.Yoshimura
  • Organizer: The 28th Int.Symp.Space Tech.Sci.(28th ISTS)
  • Place of Presentation: Okinawa, Japan
  • Year and Date: 20110605-20110612
• [Presentation] X線その場観察実験と数値解析によるIn-Ga-Sb溶液中の溶質輸送機構の研究 (2011)
  • Author(s): Rajesh Govindasamy, Arivanandhan Mukannan, 鈴木那津輝, 森井久史, 青木徹, 小山忠信, 百瀬与志美, 田中昭, 高木洋平, 岡野泰則, 小澤哲夫, 稲富裕光, 早川泰弘
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-09-01
• [Book] 化学工学の進歩45 最新 装置内の移動現象の解析と可視化, 第5章 数値解析の基礎と応用(pp.85-105) (2011)
  • Author(s): 岡野泰則, 高木洋平(分担執筆)
  • Total Pages: 266
  • Publisher: 化学工学会監修,三恵社