SiGe混晶基板を利用した歪み制御Si系高機能電子デバイスに関する研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13555086
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 宇佐美 徳隆 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (20262107)
• 研究分担者: 黄 晋二 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (50323663) ; 中川 清和 山梨大学, 工学部, 教授 (40324181) ; 中嶋 一雄 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80311554) ; 宇治原 徹 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (60312641) ; 佐崎 元 東北大学, 金属材料研究所, 講師 (60261509)
• キーワード: シリコンゲルマニウム / 分子線エピタキシー法 / 溶質元素補給ゾーン成長法 / 歪み制御薄膜 / 変調ドーピング構造 / 二次元正孔ガス

研究概要

本研究は、組成均一性の極めて優れた良質なSiGeバルク単結晶を成長し基板化し、分子線エピタキシー法によるSiGe基板上へのエピタキシャル成長により、優れた電子物性を有する歪み制御Si系ヘテロ構造を実現することを目的としている。
本年度は、SiGeバルク結晶の良質化のために、バルク結晶成長時において、成長界面近傍の温度勾配を系統的に変化させて結晶成長を行った。結晶性の評価は、成長方向と平行に切り出し研磨した試料のX線ロッキングカーブの半値幅によって評価した。その結果、温度勾配の増加とともに、半値幅が減少し、回折強度が増加することが明らかになった。これは、急峻な温度勾配を用いることにより多結晶化の原因の一つである組成的過冷却を抑制できたことに起因すると思われる。また、種結晶の方位を変化させて結晶成長を行ったところ、結晶性が種結晶の方位に大きく依存することが明らかとなった。
得られた結晶を基板状に加工し、分子線エピタキシー法により、歪みGe薄膜をチャンネルとするようなp型変調ドーピング構造の作製を行った。成長前には、基板で発生したキャリアの伝導を抑制する目的でSbをイオン注入した。ホール測定によりキャリア移動度を測定したところ、設計に反して多数キャリアが電子であることがわかり、優れた電子物性の発現に対しては、薄膜構造の設計を再検討する必要が明らかになった。しかしながら、X線回折の結果から、薄膜中の歪み量は、基板の格子定数によって制御されていることは確認できた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Azuma, N.Usami, T.Ujihara, K.Fujiwara, Y.Murakami, K.Nakajima: "Growth of SiGe bulk crystal with uniform composition by utilizing feedback control system of the crystal-melt interface position for precise control of the growth temperature"J. Cryst. Growth. 250. 298-304 (2003)
• [文献書誌] K.Kutsukake, N.Usami, K.Fujiwara, T.Ujihara, G.Sazaki, K.Nakajuna et al.: "Fabrication of homogeneous SiGe-on-insulator through thermal diffusion of Ge on Si-on-insulator substrate"Jpn. J. Appl. Phys.. 42. L232-L234 (2003)
• [文献書誌] K.Sawano, K.Arimoto, Y.Hirose, S.Koh, N.Usami, K.Nakagawa, T.Hattori, Y.Shiraki: "Planarization of SiGe virtual substrates by CMP and its application to strained Si modulation-doped structures"J. Cryst. Growth. (発表予定).
• [文献書誌] N.Usami, T.Takahashi, K.Fujiwara, T.Ujihara, G.Sazaki, et al.: "Strain distribution of Si thin film grown on multicrystalline-SiGe with microscopic compositional distribution"J. Appl. Phys.. 92. 7098-7101 (2002)
• [文献書誌] K.Nakajima, T.Kusunoki, Y.Azuma, N.Usami, K.Fujiwara et al.: "Compositional variation in Si-rich SiGe single crystals grown by multi-component zone melting method using Si seed and source crystals"J. Cryst. Growth. 240. 373-381 (2002)
• [文献書誌] K.Fujiwara, Ke.Nakajima, T.Ujihara, N.Usami, G.Sazaki, et al.: "In situ observation of crystal growth behavior from silicon melt"J. Cryst. Growth. 243. 275-282 (2002)