SiGe基板単結晶の低欠陥化と歪みを制御した機能性ヘテロ構造の創製

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14102020
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中嶋 一雄 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80311554)
• 研究分担者: 宍戸 統悦 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (50125580) ; 宇治原 徹 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (60312641) ; 宇佐美 徳隆 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (20262107)
• キーワード: シリコンゲルマニウム / フローティングゾーン成長法 / ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / 歪み

研究概要

本研究では、SiGeバルク単結晶の低欠陥化を行って機能性ヘテロ構造を創製し、高性能デバイスを実現できる基本物性を得ることを目的として研究を遂行した。本年度は、フローティングゾーン成長の成長用原料として、組成均一性に優れたSiGeバルク結晶の作製を試みた。試料は、我々が独自に開発した界面温度・位置のin situモニタリング機構と、一定の固液界面温度での成長を可能とする結晶引き下げ速度のフィードバック制御機構を備えた結晶成長装置により作製した。フィードバック機構の利用により、数百時間にわたり固液界面の位置を一定に保ちながら成長することに成功し、組成均一性の極めて優れたSiGeバルク結晶が得られた。
併行して、新規設備であるフローティングゾーン装置の設計を行い、製造を依頼し装置を導入した。本装置は、4本の半導体レーザを主加熱源とし、抵抗加熱ヒータを補助加熱源としている。これらの加熱源を併用することにより、ゾーン幅、温度勾配を精密に制御することが可能である。また、CCDカメラによる内部溶融状態の観察や、水素雰囲気下での成長が可能な設計となっている。Siのロッドに対して予備実験を行ったところ、半導体レーザのみの照射では溶融できなかったが、補助ヒータにより加熱を行いSiロッドの温度を増加させると、吸収係数が増大し、溶融状態が得られることが確認できた。
また、現有のMBE装置に、反射電子回折像写真撮影装置を導入して、反射電子強度の「その場観察」により、原子レベルの精度で、分子線量の測定を可能とし、独自の基板が作製できた場合の高精度エピタキシャル成長の条件を得た。

研究成果

• [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, K.Nakajima et al.: "In situ observation of crystal growth behavior from silicon melt"J. Cryst. Growth. 243. 275-282 (2002)
• [文献書誌] N.Usami, T.Takahashi, K.Fujiwara, T.Ujihara, G.Sazaki, K.Nakajima 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] Y.Nishijima, K.Otsubo, H.Tezuka, K.Nakajima, H.Ishikawa: "An InGaAs zone growth single crystal with convex solid-liquid interface toward the melt"J. Cryst. Growth. 245. 228-236 (2002)
• [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.Nakajima 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)