サファイア上高品質テルル化亜鉛薄膜の開発と電気光学効果テラヘルツ波検出素子応用

• Project/Area Number: 15J09135
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Crystal engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 中須 大蔵 早稲田大学, 先進理工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2016: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: II-VI族化合物半導体 / テルル化亜鉛 / サファイア基板 / 分子線エピタキシー法 / 極点図法 / 結晶工学 / 分子線エピタキシー / サファイア

Outline of Annual Research Achievements

電気光学効果を利用したテラヘルツ波検知器の実現に向けて、サファイア基板上に面方位を制御した高品質テルル化亜鉛(ZnTe)薄膜を作製することを目指した。また、サファイア基板上へのZnTeの結晶成長機構の解明も目指した。
ZnTeの結晶成長機構の解明のため、7種類の異なる面方位サファイア基板上にZnTeを結晶成長させ、結晶方位の評価を行った。その結果、サファイア(0001)//ZnTe(111)の方位関係を保って結晶が成長する機構とサファイア(11-20)//ZnTe(111)の方位関係を保つ結晶成長機構が発見されている。しかしながらZnTe(110)の成長が期待できる基板を用いた場合では、これらの規則通りとはならなかったことを見出している。これらの結果より、サファイア基板上ZnTe薄膜の成長機構を明らかにした。
また、基板に微小な傾きを導入し、さらに基板を熱処理することで、ZnTe薄膜の高品質化が達成されるという結果が得られた。一方、m面は熱処理すると、2種類の異なる面が表面に現れたナノファセット構造が得られ、そのナノファセット基板上ZnTe薄膜はナノファセット由来の結晶成長が現れ、良い結晶が得られた。他にも化学処理をおこなったサファイア基板がZnTe薄膜の結晶成長に与える影響や基板と薄膜の間に堆積させるバッファ層の複数層化がZnTe薄膜へ与える影響などを調査した。これらの方法により基板表面状態や界面状態を制御することで、ZnTe薄膜の高品質化を達成した。
選択横成長による更なる転位数の減少を目指し、二酸化ケイ素でパターン状に覆ったサファイア基板上ZnTe薄膜の選択成長の検討を行った。50nmの厚みを持つパターンを形成したサファイア基板では、350度でZnの分子線が強く、成長速度を遅くしたときに、選択成長することが明らかになった。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Growth and Crystal Orientation of ZnTe on m-Plane Sapphire with Nano-faceted Structure (2017)
  • Author(s): T. Nakasu, W. Sun, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 46 Issue: 4 Pages: 2248-2253
  • DOI: 10.1007/s11664-016-5165-2
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface Modification of a-plane Sapphire Substrates and its Effect on the Crystal Orientation of ZnTe Layer (2017)
  • Author(s): T. Nakasu, W. Sun, and M. Kobayashi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 56 Issue: 1 Pages: 015505-015505
  • DOI: 10.7567/jjap.56.015505
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Epitaxial Relationship Analysis between ZnTe Epilayers and Sapphire Substrates (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, T. Aiba, S. Yamashita, S. Hattori, T. Kizu, W. Sun, K. Taguri, F. Kazami, Y. Hashimoto, S. Ozaki, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 45 Issue: 10 Pages: 4742-4746
  • DOI: 10.1007/s11664-016-4700-5
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Selective growth of ZnTe on sapphire substrates using SiO2 mask (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, S. Hattori, W. Sun, M. Kobayashi
  • Journal Title: Physica Status Solidi B Volume: 253 Issue: 11 Pages: 2265-2269
  • DOI: 10.1002/pssb.201600317
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of Zn and Te beam intensity upon the film quality of ZnTe layers on severely lattice mismatched sapphire substrates by molecular beam epitaxy (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, W. Sun, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 印刷中 Pages: 635-637
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.035
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The growth process analysis of the ZnTe layer on the m-plane sapphire substrate with nano-facet structures (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, T. Kizu, W. Sun, F. Kazami, M. Kobayashi, T. Asahi
  • Journal Title: Compound Semiconductor Week (CSW) -Includes 28th International Conference on Indium Phosphide & Related Materials (IPRM) & 43rd International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS) 2016, IEEE Volume: - Pages: 1-2
  • DOI: 10.1109/iciprm.2016.7528603
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface Texture and Crystallinity Variation of ZnTe Epilayers Grown on the Step-terrace Structure of the Sapphire Substrate (2016)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Takeru Kizu, Sotaro Yamashita, Takayuki Aiba, Shota Hattori, Wei-Che Sun, Kosuke Taguri, Fukino Kazami, Yuki Hashimoto, Shun Ozaki, Masakazu Kobayashi and Toshiaki Asahi
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 45 Issue: 4 Pages: 2127-2132
  • DOI: 10.1007/s11664-016-4386-8
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ZnTe Layers on R- and S-plane Sapphire Substrates (2016)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Shota Hattori, Takeru Kizu, Wei-Che Sun, Fukino Kazami, Yuki Hashimoto, Masakazu Kobayashi, and Toshiaki Asahi
  • Journal Title: Physica Status Solidi C Volume: - Issue: 7-9 Pages: 435-438
  • DOI: 10.1002/pssc.201510265
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Control of Domain Orientation during the MBE Growth of ZnTe on a-Plane Sapphire (2015)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Takayuki Aiba, Sotaro Yamashita, Shota Hattori, Wei-Che Sun, Kosuke Taguri, Fukino Kazami, Masakazu Kobayashi, and Toshiaki Asahi
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 425 Pages: 191-194
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2015.02.052
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Growth of ZnTe Epilayers on r-Plane and n-Plane Sapphire Substrates (2015)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Takayuki Aiba, Sotaro Yamashita, Shota Hattori, Takeru Kizu, Wei-Che Sun, Kosuke Taguri, Fukino Kazami, and Masakazu Kobayashi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Issue: 7 Pages: 075501-075501
  • DOI: 10.7567/jjap.54.075501
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Crystal Growth Mechanism of ZnTe epilayers on Sapphire Substrate (2017)
  • Author(s): T. Nakasu, K. Odaka, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Organizer: 59th Annual Electronic Materials Conference
  • Place of Presentation: South Bend, In, USA
  • Year and Date: 2017-06-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サファイア基板上ZnTe薄膜成長における基板面方位による効果 (2017)
  • Author(s): 中須大蔵, 小高圭佑, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Influence of nano-facet structures on the orientation of the ZnTe film on sapphire substrate (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, W. Sun, M. Kobayashi, T. Asahi
  • Organizer: 32nd North American Molecular Beam Epitaxy Conference
  • Place of Presentation: Saratoga Springs, Ny, USA
  • Year and Date: 2016-09-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サファイア基板表面のナノファセット構造によるZnTe薄膜の配向制御 (2016)
  • Author(s): 中須大蔵, 孫惟哲, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Influence of the sapphire substrate surface treatment on the domain structure of the ZnTe epilayer (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, W. Sun, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Organizer: 19th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
  • Place of Presentation: Montpellier, France
  • Year and Date: 2016-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth and characterization of ZnTe layers on severely lattice mismatched sapphire substrates by MBE (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, W. Sun, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Organizer: 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The growth process analysis of the ZnTe layer on the m-plane sapphire substrate with nano-facet structures (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, T. Kizu, W. Sun, F. Kazami, M. Kobayashi, T. Asahi
  • Organizer: 43rd International Symposium on Compound Semiconductors
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth and Crystal Orientation of ZnTe on m-Plane Sapphire with Nano-faceted Structure (2016)
  • Author(s): T. Nakasu, S. Hattori, Y. Hashimoto, W. Sun, J. Wang, M. Kobayashi, and T. Asahi
  • Organizer: 58th Annual Electronic Materials Conference
  • Place of Presentation: Newark, De, USA
  • Year and Date: 2016-06-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サファイア基板の化学処理がZnTe薄膜のドメイン構造形成に与える効果 (2016)
  • Author(s): 中須大蔵, 木津健, 服部翔太, 橋本勇輝, 孫惟哲, 風見蕗乃, 王兢, 小高圭佑, 玉川陽菜, 山本洋輔, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ナノファセットを持つサファイアm面基板上ZnTe薄膜の成長過程解析 (2016)
  • Author(s): 中須大蔵, 服部翔太, 木津健, 橋本勇輝, 孫惟哲, 風見蕗乃, 王兢, 山本洋輔, 玉川陽菜, 小高圭佑, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 目黒区
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] MBE法により作製されたサファイア基板上ZnTe薄膜の結晶性評価 (2016)
  • Author(s): 玉川陽菜, 中須大蔵, 服部翔太, 木津健, 橋本勇輝, 小高圭佑, 山本洋輔, 孫惟哲, 風見蕗乃, 王兢, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 平成28年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2016-03-16
• [Presentation] Epitaxial lateral overgrowth Epitaxial of ZnTe on sapphire substrates using SiO2 mask (2016)
  • Author(s): Shota Hattori, Taizo Nakasu, Takeru Kizu, Yuki Hashimoto, Wei-Che Sun, Fukino Kazami, Masakazu Kobayashi, and Toshiaki Asahi
  • Organizer: 43rd Conference on the Physics and Chemistry of Surfaces and Interfaces
  • Place of Presentation: Palm Springs, Ca, USA
  • Year and Date: 2016-01-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サファイア基板上ZnTe薄膜の分子線エピタキシー成長 (2016)
  • Author(s): 中須大蔵, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第5回結晶工学未来塾研究ポスター発表会
  • Place of Presentation: 小金井
• [Presentation] ZnTe Layers on R- and S-plane Sapphire Substrates (2015)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Sotaro Yamashita, Takayuki Aiba, Shota Hattori, Takeru Kizu, Wei-Che Sun, Kosuke Taguri, Fukino Kazami, Yuki Hashimoto, Shun Ozaki, Masakazu Kobayashi, and Toshiaki Asahi
  • Organizer: 17th International Conference on II-VI Compound and Related Materials
  • Place of Presentation: Paris, France
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiO2マスクを用いたサファイア基板上ZnTeの選択成長 (2015)
  • Author(s): 服部翔太, 中須大蔵, 橋本勇輝, 木津健, 孫惟哲, 風見蕗乃, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] サファイアm面基板の熱処理とZnTe薄膜の結晶性改善 (2015)
  • Author(s): 橋本勇輝, 中須大蔵, 木津健, 服部翔太, 孫惟哲, 風見蕗乃, 小林正和, 朝日聡明
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Epitaxial Relationship Analysis between ZnTe Epilayers and Sapphire Substrates (2015)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Takayuki Aiba, Sotaro Yamashita, Shota Hattori, Takeru Kizu, Wei-Che Sun, Kosuke Taguri, Fukino Kazami, Yuki Hashimoto, Shun Ozaki, Masakazu Kobayashi, and Toshiaki Asahi
  • Organizer: 57th Annual Electronic Materials Conference
  • Place of Presentation: Columbus, Oh, USA
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Surface texture and crystallinity variation of ZnTe epilayers grown on the step-terrace structure of the sapphire substrate (2015)
  • Author(s): Taizo Nakasu, Takeru Kizu, Sotaro Yamashita, Takayuki Aiba, Shota Hattori, Wei-Che Sun, Kosuke Taguri, Fukino Kazami, Yuki Hashimoto, Shun Ozaki, Masakazu Kobayashi and Toshiaki Asahi
  • Organizer: 57th Annual Electronic Materials Conference
  • Place of Presentation: Columbus, Oh, USA
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 早稲田大学先進理工学部電気・情報生命工学科小林正和研究室
  • URL: http://www.eb.waseda.ac.jp/kobayashi/
• [Remarks] 早稲田大学先進理工学部 先進・学術研究データベース
  • URL: http://wpo02.sci.waseda.ac.jp/
• [Remarks] 小林正和研究室ホームページ
  • URL: http://www.eb.waseda.ac.jp/kobayashi/
• [Remarks] 早稲田大学先進理工学部 先進・学術研究活動データベース
  • URL: http://wpo02.sci.waseda.ac.jp/AAA01.php