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

2003 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 名古屋大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (60312641) ; 宇佐美 徳隆 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (20262107) ; 宇田 聡 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90361170)
• 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 / 溶質元素補給成長法 / 優先成長方位 / 歪み / 分子線エピタキシー

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ている。
我々は、これまでに、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システムを独自に開発し、このシステムを利用して、組成均一性の極めて優れたSiGeバルク結晶の成長に、成功していた。しかしながら、多結晶化を抑制し、単結晶を得るための手法の確立が課題となっていた。この課題に対して、結晶の優先成長方位を簡便に探索する手法を考案し、種結晶方位を優先成長方位に設定することが、多結晶化の抑制に極めて有効であることを見出した。本手法は、SiGeだけでなく、他の多元系結晶の成長に対しても有効であることを、多元系化合物半導体の結晶成長により確認した。
また、新たに導入した半導体レーザを主加熱源とする高性能フローティングゾーン装置の基本データとして、補助加熱用抵抗加熱ヒータの線材の最適化、設定温度と温度分布の関係など基本データを取得した。原料用のSiGe結晶の作製手法として、SiとGeの粉体を加圧成型、焼結する条件を確立し、レーザの照射により均質に融解可能であることを確認した。実際に、SiGeの結晶成長を行ったところ、フォトルミネッセンス法によってバンド端に相当する発光が確認でき、また深い準位からの発光も観測されなかったことから、非発光中心・欠陥密度の少ない良質な結晶が作製できたことを確認した。

研究成果

• [文献書誌] K.Nakajima, T.Ujihara, N.Usami, K.Fuiwara, G.Sazaki, T.Shishido: "Phase diagram of growth mode for the SiGe/Si heterostructure system with misfit dislocations"J.Cryst.Growth. 260. 372-383 (2004)
• [文献書誌] K.Kutsukake, N.Usami, K.Fujiwara, T.Ujihara, G.Sazaki, K.Nakajima et al.: "Fabrication of SiGe-on-insulator by rapid thermal annealing of Ge on Si-on-insulator substrate"Applied Surface Science. 224. 95-98 (2004)
• [文献書誌] N.Usami, W.Pan, K.Fujiwara, T.Ujihara, G.Sazaki, K.Nakajima: "Relationship between device performance and grain boundary structural configuration in a solar cell based on multicrystalline SiGe"J.Appl.Phys.. 43. L250-L252 (2004)
• [文献書誌] N.Usami, T.Ichitsubo, T.Ujihara, T.Takahashi, K.Nakajima et al.: "Influence of the elastic strain on the band structure of ellipsoidal SiGe coherently embedded in Si matrix"J.Appl.Phys.. 94. 916-920 (2003)
• [文献書誌] A.Alguno, N.Usami, K.Fujiwara, G.Sazaki, K.Nakajima et al.: "Enhanced quantum efficiency of solar cells with self-assembled Ge dots stacked in multilayer structure"Appl.Phys.Lett.. 83. 1258-1260 (2003)
• [文献書誌] T.Ujihara, K.Obara, N.Usami, K.Nakajima et al.: "High-quality crystalline silicon layer grown by liquid phase epitaxy method at low growth temperature"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. L217-L219 (2003)