エピタキシャル成長の量子論と構造のダイナミクス

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07305001
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 西永 頌 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (10023128)
• 研究分担者: 白石 賢二 NTT基礎研究所, 木料物性研, 主幹研究員 ; 伊藤 智徳 NTTLSI研究所, 宮沢特別研, 主幹研究員 ; 大野 英男 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (00152215) ; 中山 弘 神戸大学, 工学部, 助教授 (30164370) ; 一宮 彪彦 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00023292)
• キーワード: 分子線エピタキシ / 再構成構造 / 自然超格子 / 有機金属気相エピタキシ / 第一原理計算 / 原子ステップ / モンテカルロシミュレーション / 表面拡散

研究概要

本年度は、通常の研究会を2回それぞれ大阪および静岡で開催し、最終研究報告会を神戸で開催した。本研究グループでは、先ず結晶表面における表面再構成構造およびステップやキンクのような微細構造近傍での成長原子の振舞を明らかにするため第一原理量子論計算を用いて移動原子に対するポテンシャルを求めた。このような表面におけるマイグレーションポテンシャルを計算するに際し、エレクトロンカウンテイングモデルが良く成立していることを明らかにした。このような表面において、多数の原子がどのように振る舞い成長に寄与していくかを見るため、モンテカルロシミュレーションを行った。これによりGaAsにおけるA-step,B-stepの振舞を明らかにした。さらに、二原子からなる結晶の成長時における特有な現象も明らかにすることができた。
又、ステップの振舞を統計力学的現象論を用いて解析し、実験と比較することにより、ステップのスティフネスを決定することができた。さらに、分子動力学法により、相転移や融液の振舞を理論的に明らかにする試みも行った。
実験サイドでは、ファセット間を原子が行き来する面間拡散を詳しく調べ、面間拡散の起源として、表面再構成構造にともなう二次元核形成のしやすさに起因した表面adatom濃度の差が重要であることが明らかとなった。さらに、表面再構成構造に伴い特有の自然超格子が形成されることも明らかとなった。本研究の特徴は原子スケールの成長機構を明らかにするため、第一原理量子論計算とモンテカルロシミュレーションを結びつつ実験の理論の間に存在するギャップを埋めようとするもので、この2年間、理論家と実験家が同じ場で発表と討論を行い相互理解を深めることができたことは、結晶成長の理解の今後の発展にとって非常に有意義であったと言える。

研究成果

• [文献書誌] T.Nishinaga,X.Q,Shen and D.Kishimoto: "Surface diffusion length of cation incorporation studied by microprobe-RHEED/SEM MBE" J.Crystal Growth. 163. 60-66 (1996)
• [文献書誌] X.Q.Shen,H.W.Ren,M.Tanaka and T.Nishinaga: "Real time observation of faceting and shrinkage process of disk-shaped mesas in GaAs molecular beam epitaxy on GaAs(111)B substrates" J.Crystal Growth. 169. 607-612 (1996)
• [文献書誌] A.Yamashiki,X.Q.Shen and T.Nishinaga: "Pure Two-Face Inter-Surface Diffusion between(001)and(111)B in Molecular Beam Epitaxy of GaAs," Record of 15th Electronic Materials Symposium,1996,Nagaoka. 15. 217-220 (1996)
• [文献書誌] H.W.Ren,M.Tanaka and T.Nishinaga: "Real time observation of reconstruction transitions on GaAs(111)B surface by scanning election microscopy," Appl.Phys.Lett.69. 565-567 (1996)
• [文献書誌] A Yamashiki and T.Nishinaga: "Arsenic Pressure Dependence of Inter-Surface diffusion between(001)and(111)B in MBE of GaAs," Proc,2nd Topical Meeting on Structural Dynamics of Epitaxy and Quantum Mechanical Approach,Kobe. 2. 65-70 (1997)
• [文献書誌] T.Nishinaga and X.Q.Shen: "Inter-surface diffusion of cation incorporation in MBE of GaAs and InAs,in Advances in the Understanding of Crystal Growth Mechanisms,eds.T.Nishinaga et al" Elsevier. (1997)