ナノ構造エピタキシにおける面間拡散に関する研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450008
• 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: 成塚 重弥 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (80282680) ; 田中 雅明 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (30192636)
• キーワード: GaAs / 分子線エピタキシ / 面間拡散 / μ-RHEED / MBE / 拡散距離 / ピラミッド構造 / 巨大ステップ / As_4分子

研究概要

本年度は、GaAsの分子線エピタキシ(MBE)における(001)面と(110)面の面間拡散につき調べた。資料はGaAs(001)基板をへき開し、(110)面を出すことにより作製した。これをMBE装置と走査型電子顕微鏡を一体化したmicroprobe-RHEED/SEM MBE装置(以下μ-RHEED/MBEと略称)にセットし、MBE成長時(001)面上、(110)面近傍および(110)面上(001)面近傍での局所的成長速度を二つの面の境界からの距離の関数として求めた。成長速度は境界からの距離に対して指数関数的に減少又は増大するので、この変化からGa原子が結晶にとり込まれるまでの拡散距離λincを求めることが出来る。これをAs_4圧の関数として求めたところ、As_4圧が小さいところではAs_4圧の0.5乗、高いところではAs_4圧の-1乗に比例することがわかった。又、同様な実験を(110)を上の面、(110)を側面として行ったところ、同じように低As_4圧側ではλincはAs_4の-0.5乗、比較的高いAs_4圧側では-1乗に比例することがわかった。このことは、低As_4圧側ではAs_4分子が分解することにより成長に関与する活性のAsが作られること、高As_4圧側では2つのAs_4分子がぶつかり活性のAsが作られるとするFoxonモデルがあてはまることを意味している。
次に成長温度を変え(001)-(110)の面間拡散の方向を調べた。すると成長温度を低温から高温に上げるに従って、ある成長温度を境界として低温側ではGaは(110)面から(110)面に流れるのに対し、高温側では逆に(110)面から(100)面にGaが流れることがわかった。この理由は(110)面上および(100)面上でGaが結晶にとり込まれるまでの寿命τincの相対的大きさが成長温度によって入れかわるためであることがわかった。すなわち、(001)面および(110)面でτincは低As_4側でAs_4の一次に、高As_4圧側でAs_4の二次に比例するが、この次数が変わる臨界As_4圧が(110)面と(110)面で異なるため、(001)および(110)面でのτincの大きさがAs_4圧を変化すると入れかわり、これが成長温度を変化させた場合にも起こることがわかった。
又、今年度はこのような面間拡散を利用して、メサ構造から出発し、先端がするどくとがったピラミッド構造、多数の原子ステップが集合し形成される巨大ステップの形成過程についてもμ-RHEED/MBE,AFM等を用いてくわしく調べた。

研究成果

• [文献書誌] T.Nishinaga, A.Yamashiki and X.Q.Shen: "Inter-surface Diffusion of GaAs Non-Planar Substrate studied by Microprobe-RHEED/SEM MBE" AIC-DGKK Joint Annual Meeting. 15. 15 (1997)
• [文献書誌] A.Yamashiuki and T.Nishinaga: "Arsenic Pressure Dependance of Inter-surface diffusion between(001)and(111)B in MBE of GaAs" Proc.2nd.Topical Meeting on Structural Dynamics of Epitaxy and Quantum Nechanical Approach. 65-70 (1997)
• [文献書誌] Y.Yamashiki and T.Nishinaga: "Inter-surface Diffusion in MBE of GaAs on non-plannar substrate studied by microprobe-RHEED/SEM MBE system" Proc.1st.Symp.on Atomic-scale Surface and Interface Dynamics. 7-12 (1997)
• [文献書誌] Bacchin,K.Tsunoda and T.Nishinaga: "Periodic Supply Epitaxy for the Selective Area Growth of GaAs and AlGaAs by MBE" Proc.1st.Symp.on Atomic-scale Surface and Interface Dynamics. 13-18 (1997)
• [文献書誌] G.Bacchin, K.Tsunoda and T.Nishinaga: "Selective Area Growth by Periodic Supply Molecular Beam Epitaxy" Japan-US Seminar on Surface Dynamics and Structures in Epitaxial Growth. (印刷中). (1997)
• [文献書誌] S.Kousai, A.Yamashiki and T.Nishinaga.: "Real-Time Observations of the Ridge Shurinkage Process on the GaAs(001)Patterned Substrate and its Theoretical Analysis" Record of the 16th Electronic Materials Symposium(1997)67-70. 67-70 (1997)
• [文献書誌] M.Masuda and T.Nishinaga: "The As/Ga Ratio Dependence of Step Bunching on GaAs(111)B Vicinal Surface as Studied by Microprobe-RHEED/SEM MBE" Record of the 16th Electronic Materials Symposium. 71-74 (1997)
• [文献書誌] A.Yamashiki and T.Nishinaga: "Temperature Dependence of Inter-surface Diffusion between(001)and(110)in Molecular Beam Epitaxy" Record of the 16th Electronic Materials Symposium. 75-78 (1997)
• [文献書誌] A.Yamashiki and T.Nishinaga: "In-Situ Observation of Ridge Structure Growing on GaAs(001)Line-Patterned Substrate in Molecular Beam Epitaxy" Proc.27th State-of the Art Program on compound semiconductors(SOTAPOCSXXVII). 166-170 (1997)
• [文献書誌] G.Bacchin, K.Tsunoda and T.Noishinaga: "Selective Area Growth of AlGaAs and ALAs on GaAs(001)by PSE/MBE" Proc.27th State-of the Art Program on compound semiconductors (SOTAPOCSXXVII). 180-183 (1997)
• [文献書誌] T.Nishinaga: "Real Time Monitoring of GaAs Microstructure Fabrication by Microprobe-RHEED/SEM MBE" Proc.27th State-of the Art Program on compound semiconductors(SOTAPOCSXXVII). 149-153 (1997)
• [文献書誌] T.Nishinaga: "Micro-channel epitaxy-Concept and application to highly lattice mismatched hetero-epitaxy-" Romanian Conference on Advanced Materials. P.L.1 (1997)