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

2003 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, 多元物質化学研究所, 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 ; 櫻井 雅樹 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (80235225) ; 明石 孝也 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (20312647)
• 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、高品質・低転位密度Gesi単結晶の育成技術の確立、育成Gesi単結晶の物性と構造の解明、転位欠陥の発生と運動及び抑制、熱電変換特性の解明、さらに各種の機能性素子としてのフュージビリティスタディーである。本年度はとりまとめに向けて高品質結晶の育成と、その特性の評価を進めた。
1.昨年度の組成がxが0-0.2と0.73-1で直径25mm、長さ100mmの低転位密度・高品質Ge_<1-x>Si_x結晶の育成の成果を踏まえ、今年度は組成xが0.2から0.7までの中間組成の結晶の育成を行い、組成0.5の双晶結晶(直径11mm、長さ13mm)の育成に成功した。また、カーボン系や窒化珪素系ルツボを用いた育成を行い、xが0.7-0.9のSiリッチの組成領域で、酸素不純物・析出物の発生を制御して大型の単結晶を育成することに成功した。また、それらの育成においては自動育成化を進めた。
2.結晶の原子局所構造をXFAS法と蛍光X線ホログラフィ法により調べ、4配位完全ランダム配置であること、Ge-Ge、Si-Ge、Si-Siの各原子間結合距離は互いに異なり組成に対して線形に変化する不完全Pauling型構造であることを得た。さらに第一原理計算からもそれらの原子間の結合距離の組成に対する依存性を良好に再現した。また、赤外吸収法で得られた結晶中の酸素原子のSi-Si結合の原子間位置への優先的配置を電子顕微鏡エネルギー損失スペクトル法で検証し、さらにSiとOの結合距離を定量した。
3.育成した結晶の欠陥構造をX線回折顕微鏡法によって調べ、Ge_<0.27>Si_<0.73>の結晶は低転位密度であること、それが転位の運動が抑制されるためであることを明らかにした。
4.電荷不純物を添加した結晶の熱伝導率、熱電能、電気伝導度、ホール移動度等を800℃まで測定し、組成と温度の関数として定量化した。それに基づいて、ペルチェ熱電変換素子への実用化を進めている。
5.これらの結果の総括を進め、GeSi及び、各種の固溶体半導体結晶の発展に貢献すべく、最終報告書を準備している。

研究成果

• [文献書誌] I.Yonenaga, M.Sakurai, T.Ayuzawa, M.H.F.Sluiter, Y.Kawazoe: "Local strain relaxation in Czochralski-grown GeSi bulk alloys"Physica B. 340-342. 854-857 (2003)
• [文献書誌] P.J.C.King, R.L.Lichti, I.Yonenaga: "Hydrogen behavior in bulk Si1-xGex alloys as modeled by muonium"Physica B. 340-342. 835-839 (2003)
• [文献書誌] I.Yonenaga: "Dislocation-Impurity Interactions in Silicon"Solid State Phenomena. 95/96. 423-432 (2003)
• [文献書誌] I.Yonenaga: "Plastic deformation and dislocation dynamics in semiconductors"Dislocations, plasticity and metal forming (Proceeding of 10th International Symposium on Plasticity and its Current Application. 310-312 (2003)
• [文献書誌] T.Taishia, X.Haung, I.Yonenaga, K.Hoshikawa: "Dislocation-free Czochralski Si crystal growth without a thin neck : dislocation behavior due to incomplete seeding"Journal of Crystal Growth. 258. 58-64 (2003)
• [文献書誌] I.Yonenaga, M.Sakurai: "Local structure around Si atoms in GeSi alloy semiconductors"Photon Factory Activity Report 2002. 20. 160 (2003)