短パルス超音速分子線エピタキシャル成長法の開発

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06452115
• 研究機関: 理化学研究所
• 研究代表者: 青柳 克信 理化学研究所, 半導体工学研究室, 主任研究員 (70087469)
• 研究分担者: 岩井 荘八 理化学研究所, レーザー科学研究グループ, 先任研究員 (40087474) ; 張 随安 理化学研究所, 半導体工学研究室, 基礎科学特別研究員 (20260218)
• キーワード: 超音速 / 短パルス / ノズルビーム / エピタキシ- / ミリ秒時間分解 / 高速表面観察 / 時間分割的な制御 / 反応制御

研究概要

新しい超音速ケミカルビームエピタキシ-成長法を開発した。本成長法を用いてGaAsの結晶成長を行い、次に示す研究成果を得た。
1)半導体の薄膜成長に適した短パルス超音速ノズルビームエピタキシャル成長装置を完成した。
2)TOF(Time of Flight)法の測定結果から短パルス超音速ノズルビームの特性制御を確認した。
3)短パルス超音速ケミカルビームの正確な原料供給制御とエネルギー制御を行い、一パルスあたりに数十分の一原子層乃至丁度一原子層の結晶成長速度を得た。
4)上記成長における速いダイナミックス現象のその場観察及び制御に高速応答(ミリ秒以下の時間分解能)RHEED(Reflected high energy electron diffraction、反射型高エネルギー電子線回折)及びミリ秒応答RD(Reflectance defferance、光反射差法)を構成した。
5)これらの測定法を用いて、結晶成長におけるミリ秒ダイナミックスのその場観察に成功した。これらの観察結果からミリ秒の時間領域で結晶成長の諸過程を制御できることを初めて明らかにした。
6)GaAs成長表面のc(4x4)及び(2x4)γ構造上のAsダイマーの脱離過程を明らかにした。通常の成長温度(600℃)付近で、TMG(トリメチルガリウム)の分解及び表面過剰ひ素の脱離が数ミリ秒から数十ミリ秒の間で進行することを突き止めた。このことは表面化学反応及び脱離吸着過程がミリ秒の時間スケールで時間分割的に制御できることを意味する。
7)高分解能X線回折、フォトルミネッセンスや電子顕微鏡観察等の測定結果から上記手法で作製した試料の結晶品質が良好であることを確認した。
8)原料ビームのパルス幅を簡単に調整するだけで結晶の電気的な光学的な特性を容易に制御できることを実証した。
9)超音速ビームの発生で原料分子のエネルギーを増加させることにより結晶膜の品質を大幅に改善できることを確認した。

研究成果

• [文献書誌] S.Zhang,J.Cui,A.Tanaka and Y.Aoyagi: "Short-pulse supersonic nozzle beam epitaxy:A new approach for submonolayer controlled growth" Appl.Phys.Lett.64. 1105-1107 (1994)
• [文献書誌] S.Zhang,J.Cui,A.Tanaka and Y.Aoyagi: "Short-pulse chemical beam epitaxy" J.Crystal Growth. 136. 200-203 (1994)
• [文献書誌] S.Zhang,J.Cui,A.Tanaka and Y.Aoyagi: "Fast evolution of surface dynamics during epitaxy of GaAs on c(4x4)reconstructed surface" J.Crystal Growth. 145. 974-975 (1994)
• [文献書誌] J.Cui,S.Zhang,A.Tanaka and Y.Aoyagi: "Millisecond time-resolved reflectance difference measurements of GaAs grown by short-pulse supersonic nozzle beam epitaxy" Appl.Phys.Lett.64. 3285-3287 (1994)
• [文献書誌] S.Zhang,J.Cui,A.Tanaka and Y.Aoyagi: "Fast reconstruction transitions and fast surface reactions in short-pulse supersonic nozzle beam epitaxy" J.Crystal Growth. 150. 622-626 (1995)
• [文献書誌] J.Cui,S.Zhang,A.Tanaka and Y.Aoyagi: "Study on dimer density evolution during GaAs SSBE on(2x4)γ initial surface by millisecond time-resolved reflectance difference" J.Crystal Growth. 150. 616-621 (1995)