高品質無転位ゲルマニウムシリコン固溶体バルク単結晶の育成と基礎物性の解明

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450001
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 米永 一郎 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (20134041)
• 研究分担者: 進藤 太輔 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20154396) ; 後藤 孝 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (60125549) ; 阿部 孝夫 信越半導体, 半導体研究所, 研究主幹(研究職) ; 明石 孝也 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (20312647) ; 深田 直樹 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (90302207)
• キーワード: ゲルマニウムシリコン / 固溶体 / 単結晶育成 / 基礎物性 / XAFS構造解析 / 不純物

研究概要

ゲルマニウムシリコンはGeとSiの間で組成によってバンドギャップと格子定数を任意に制御できる全率固溶体である。本研究の目的はその広範な応用へ向けて、良質のバルク単結晶を用いて物理過程を基礎的に解明であり、高品質・低転位密度、無転位GeSi単結晶の育成と基礎知識の確立、育成GeSi単結晶の物性と原子構造の解明、転位欠陥の発生と運動及び抑制、熱電変換特性とその有用性の解明を行う。本年度は特に各種の高品質結晶の育成を主とし、次の成果を得た。
1.チョクラルスキー法により0から0.15までと0.85から1までの組成xで、直径30mm、長さ100mmのGe_<1-x>Si_x結晶を育成した。さらに、ネッキングと育成した結晶から切り出した種結晶を用いて、転位密度が10^2cm^<-2>の低転移密度の結晶を得た。またGeSiの熱電特性を制御するためB、P、As等の不純物を最大濃度10^<20>cm^<-3>まで添加した結晶を育成した。それら不純物の分配係数を決定した。
2.各種組成の結晶の原子構造をXFAS法により調べ、4配位数を維持する完全なランダム配置で、長周期規則性がないこと、Ge-Ge、Si-Ge、Si-Siの各原子間の結合距離は異なり、組成に対して線形に変化するPauling型の構造であることが明らかにした。
3.育成結晶を赤外吸収分光法によって調べ、結晶中には最大濃度10^<18>cm^<-3>の不純物酸素が固溶し、その酸素はSi-Si結合の原子間位置を優先的に占有すること、その準Si-O-Si分子は上記のSi-Si結合距離の組成依存性によってその振動数を変えることを見出した。
4.各種不純物を添加した結晶の熱伝導率、熱電能、電気伝導度、ホール移動度、電荷密度等を800℃まで測定し、組成と温度、不純物の種類と濃度の関数として定量化した。それに基づいて、熱電変換材料として高い可能性を得られた。

研究成果

• [文献書誌] I.Yonenaga: "Czochralski growth of heavily impurity doped crystals of GeSi alloys"Journal of Crystal Growth. 226・1. 47-51 (2001)
• [文献書誌] I.Yonenaga, T.Akashi, T.Goto: "Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals"Journal of Physics and Chemistry of Solids. 62・7. 1313-1317 (2001)
• [文献書誌] I.Yonenaga, M.Sakurai: "Bond lengths in Ge_<1-x>Si_x crystalline alloys grown by the Czochralski method"Physical Review B. 64・11. 3206-1-3206-3 (2001)
• [文献書誌] I.Yonenaga, M.Nonak, N.Fukata: "Interstitial oxygen in GeSi alloys"Physica B. 308-310. 539-541 (2001)
• [文献書誌] P.J.C.King, I.Yonenaga: "Low temperature muonium behaviour in Cz-Si and Cz-Si_<0.91>Ge_<0.09>"Physica B. 308-310. 546-549 (2001)
• [文献書誌] T.Akashi, I.Yonenaga, I.Gunjishima, T.Goto: "High temperature transport property of B-and P-doped GeSi single Crystals prepared by a Czochralski method"Materials Transactions. 42・6. 1024-1027 (2001)
• [文献書誌] I. Yonenaga: "The Encyclopedia of Materials : Science and Technology"Elsevier Science. 5 (2001)