対流制御による高品質InGaSb結晶の育成

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289270
• Research Institution: Japan Aerospace Exploration Agency
• Principal Investigator: 稲富 裕光 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50249934)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 早川 泰弘 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 結晶工学 / 結晶成長 / 均一組成結晶 / InGaSb

Outline of Annual Research Achievements

平成26年度は、原料結晶の準備および平成25年度に引き続き強磁場中でのIn0.11Ga0.89Sb結晶の育成を行った。そして、遠心機上でInGaSb結晶育成を行った。
（１）Arivanandhan、早川は、原料と種結晶になるGaSb結晶および溶液帯となるTeドープInSbバルク結晶をチョクラルスキー法で育成した。
（２）稲富らは、6テスラの強い静磁場中でIn0.11Ga0.89Sb結晶育成を繰り返し行なった。その結果、磁場印加中では組成分布が均一化する傾向が見られた。
（３）稲富は、円板型遠心機に搭載する小型真空加熱炉を新たに製作して周辺機器とともに遠心機に組み込んだ。そしてInGaSbのモデル物質として低融点のBiSb結晶を選びその結晶育成を通して動作確認を行った。その結果、回転無しの条件に比べて1.4Gの印加重力条件の方が組成分布が均一になる傾向にあることが確認された。これは遠心機の回転に伴うコリオリ力の作用により回転無しの条件に比べて融液中の対流が抑制された結果と考えられる。更に同装置を用いてIn0.11Ga0.89Sb結晶の育成を試みたが、再現性の良い組成分布を得るに至らなかった。
（４）強磁場実験および遠心機実験の双方で、通常環境での育成に比べて種結晶からの成長量が増大した。対流が抑制されるのであれば成長量はむしろ減少するはずである。また、原料結晶の界面形状は数値計算の結果は溶液中の温度分布・濃度分布の影響を受けて丸みを帯びるが、磁場や遠心力の印加の有無にかかわらず実験における界面形状はファセットとなり、事前の予想に反していた。これらの実験結果から、種結晶側のみならず原料結晶側の溶解カイネティクスをも考慮して温度勾配除冷法のモデルを再検討する必要があることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成26年度末までに強磁場実験および遠心機実験の双方を実施出来た。そしてそれらの実験にて育成結晶の成長量が増大すること、磁場や遠心力の印加の有無にかかわらず原料結晶界面がファセット化することを見出した点は、当初の計画以上の成果を上げている。しかし、遠心機実験による育成結晶の組成制御に課題が残されている。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度に引き続き遠心機実験を行い、過重力環境下での試料の保持方法や加熱ヒーターの温度制御の改善など成長条件を工夫することで育成結晶中の組成分布の再現性を向上させる。そして、強磁場印加と遠心機利用の実験結果を数値シミュレーション結果と比較し熱物質輸送と溶解・成長界面でのカイネティクスの影響を評価する。
更に、組成xが1に近いInxGa1-xSb結晶成長を行う。その際、種結晶と成長結晶の格子不整合を小さくするためにGaSbの代わりにInSbを種結晶として用い、幅広い組成領域での均一組成のInxGa1-xSb単結晶育成技術を確立する。

Causes of Carryover

当初、本年度購入予定の物品であった超伝導マグネット用蓄冷材一式の購入費を別予算で工面出来、また遠心機用真空加熱炉試料移動機構の一部を内製することで経費節減することが出来たため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

超伝導マグネット用蓄冷材一式、組成xが1に近いInxGa1-xSb結晶成長を行うための種結晶用InSb単結晶育成用の原料およびBN製坩堝など物品購入費、また著名な学術雑誌の投稿費・別刷り代に充てる。

Research Products

• [Journal Article] A numerical study on growth process of InGaSb crystal under microgravity field with considering interfacial kinetics (2015)
  • Author(s): Y. Okano, H. Mirsandi, Y. Inatomi, Y. Hayakawa and S. Dost
  • Journal Title: Microgravity Science and Technology Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1007/s12217-015-9417-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Viscosity of Molten InSb, GaSb, and InxGa1-xSb alloy semiconductors (2014)
  • Author(s): K. Sakata, M. Mukai, G. Rajesh, M. Arivanandhan, Y. Inatomi, T. Ishikawa, Y. Hayakawa
  • Journal Title: International Journal of Thermophysics Volume: 35 Pages: 352-360
  • DOI: 10.1007/s10765-014-1582-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal growth of ternary alloy semiconductor and preliminary study for microgravity experiment at International Space Station (2014)
  • Author(s): K. Sakata, M. Midori, M. Arivanandhan, G. Rajesh, T. Ishikawa, Y. Inatomi and Y. Hayakawa
  • Journal Title: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan Volume: 12 Pages: Ph_31-Ph_35
  • DOI: 10.2322/tastj.12.Ph_31
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Crystal growth of InxGa1-xSb under Reduced Convection Condition (2015)
  • Author(s): Y. Inatomi, Kaoruho Sakata, M. Arivanandhan, G. Rajesh, V. Nirmal Kumar, T. Koyama, Y. Momose, T. Ozawa, Y. Okano, and Y. Hayakawa
  • Organizer: 3rd International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2015)
  • Place of Presentation: SRM Universit, Tamilnadu, India
  • Year and Date: 2015-02-04 – 2015-02-06
  • Invited
• [Presentation] Growth Process of InGaSb under Microgravity and Normal Gravity Conditions (2015)
  • Author(s): V. Nirmal Kumar, M. Arivanandhan, G. Rajesh, Y. Katsumata, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • Organizer: 2015 International Symposium toward the Future of Advanced Researches in Shizuoka University
  • Place of Presentation: Shizuoka University. Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-01-27 – 2015-01-28
• [Presentation] 国際宇宙ステーション内の微小重力環境下における混晶半導体結晶成長 (2015)
  • Author(s): 早川泰弘, 稲富裕光, 阪田薫穂, 石川毅彦, 高柳昌弘, 上垣内茂樹, M. Arivanandhan, V. Nirmal Kumar, G. Rajesh, 小山忠信, 百瀬与志美, 小澤哲夫, 岡野泰則
  • Organizer: 第29回宇宙環境利用シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙航空研究開発機, 神奈川県相模原市
  • Year and Date: 2015-01-24 – 2015-01-25
• [Presentation] Effect of gravity on the growth of InGaSb ternary alloy semiconductor bulk crystals (2015)
  • Author(s): Y. Katsumata, M. Arivanandhan, V. Nirmal Kumar, G. Rajesh, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • Organizer: SRM University - Shizuoka University Joint Symposium
  • Place of Presentation: Shizuoka University, Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-07
• [Presentation] Japanese Crystal Growth Experiments on International Space Station (2014)
  • Author(s): Yuko Inatomi and Masahiro Takayanagi
  • Organizer: The 2nd China-Japan Workshop on Material Science in Space
  • Place of Presentation: Jinan, Shandong Province, China
  • Year and Date: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [Presentation] InGaSb alloy semiconductor growth under 1G and microgravity (2014)
  • Author(s): Y. Hayakawa, M. Arivanandhan, V. Nirmal Kumar, G. Rajesh, Y. Katsumata, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa and Y. Okano
  • Organizer: The 2nd China-Japan Workshop on Material Science in Space
  • Place of Presentation: Jinan, Shandong Province, China
  • Year and Date: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [Presentation] Numerical investigation of melting and growth of InGaSb by using temperature gradient method (2014)
  • Author(s): Y. Okano, H. Mirsandi, T. Yamamoto, Y. Takagi, Y. Inatomi and Y. Hayakawa
  • Organizer: The 2nd China-Japan Workshop on Material Science in Space
  • Place of Presentation: Jinan, Shandong Province, China
  • Year and Date: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [Presentation] InGaSb結晶成長に対する重力効果 ―国際宇宙ステーション内の微小重力下と1G下実験― (2014)
  • Author(s): Velu Niramal Kumar, Mukannan Arivanandhan, Govindasamy Rajesh, 小山忠信, 百瀬与志美, 稲富裕光, 阪田薫穂, 石川毅彦, 高柳昌弘, 上垣内茂樹, 小澤哲夫, 岡野泰則, 早川泰弘
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会第26回学術講演会
  • Place of Presentation: イーグレ姫路, 兵庫県姫路市
  • Year and Date: 2014-11-26 – 2014-11-28
• [Presentation] ISSにおけるInGaSb結晶成長実験に対する数値シミュレーション (2014)
  • Author(s): ミルサンディ ハルヨ, 山本卓也, 高木洋平, 岡野泰則, 稲富裕光, 早川泰弘
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会第26回学術講演会
  • Place of Presentation: イーグレ姫路, 兵庫県姫路市
  • Year and Date: 2014-11-26 – 2014-11-28
• [Presentation] InGaSb混晶半導体結晶成長に対する重力効果―国際宇宙ステーション実験― (2014)
  • Author(s): 早川泰弘, Mukannan Arivanandhan, Velu Niramal Kumar, Govindasamy Rajesh, 小山忠信, 百瀬与志美, 稲富裕光, 阪田薫穂, 石川毅彦, 高柳昌弘, 上垣内茂樹, 小澤哲夫, 岡野泰則
  • Organizer: 第44回結晶成長国内会議
  • Place of Presentation: 学習院創立百周年記念会館, 東京都豊島区
  • Year and Date: 2014-11-06 – 2014-11-08
• [Presentation] Crystal growth of InxGa1-xSb alloy semiconductor under microgravity at International Space Station (ISS) and comparison with ground based experiment (2014)
  • Author(s): Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Yoda, Y. Kamigaichi, M. Arivanandhan, G. Rajesh, V. Nirmal Kumar, T. Koyama, Y. Momose, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • Organizer: 10th Asian Microgravity Symposium
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-31
• [Presentation] A numerical study on growth process of InGaSb crystal under microgravity field with considering interfacial kinetics (2014)
  • Author(s): Y. Okano, H. Mirsandi, Y. Inatomi, Y. Hayakawa and S. Dost
  • Organizer: 10th Asian Microgravity Symposium
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-31
• [Presentation] 微小重力環境下でのInGaSb結晶成長における界面カイネティクスの影響に関する数値解析 (2014)
  • Author(s): ハルヨ・ミルサンディ, 山本卓也, 高木洋平, 岡野泰則, 稲富裕光, 早川泰弘
  • Organizer: 第63回理論応用力学講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都目黒区
  • Year and Date: 2014-09-26 – 2014-09-28
• [Presentation] Growth and properties of InGaSb alloy semiconductor crystals grown under microgravity and 1G conditions (2014)
  • Author(s): V. Nirmal Kumar, M. Arivanandhan, G. Rajesh, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa, Y. Okano, Y. Hayakawa
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス, 北海道札幌市
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Growth of InGaSb alloy semiconductor crystal under 1G condition as a preliminary study for microgravity experiment at International Space Station (2014)
  • Author(s): V. Nirmal Kumar, M. Arivanandhan, G. Rajesh, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • Organizer: 13th International Conference on Global Research and Education (Inter-Academia 2014)
  • Place of Presentation: Riga Technical University, Riga, Latvia
  • Year and Date: 2014-09-10 – 2014-09-12
• [Presentation] First Experiment of Alloy Semiconductor Project in ISS (2014)
  • Author(s): Yuko Inatomi, Kaoruho Sakata, Yasuhiro Hayakawa, Takehiko Ishikawa, Mukannan Arivanandhan, Govindasamy Rajesh, Tadanobu Koyama, Yoshimi Momose, Krishnasamy Sankaranarayanan, Akira Tanaka, Tetsuo Ozawa, Yasunori Okano, Masahiro Takayanagi, Shinichi Yoda, and Y. Kamigaichi
  • Organizer: 40th COSPAR Scientific Assembly (COSPAR MOSCOW 2014)
  • Place of Presentation: Moscow, Russia
  • Year and Date: 2014-08-02 – 2014-08-10