研究課題
半導体材料を含む特殊なぺーストを印刷した半導体単結晶基板を非真空下で熱処理するというシンプルなプロセスをベースに、高品質シリコン系多元混晶薄膜の成長技術の開発に取り組んでいる。特に、固溶限界を超える準安定な高スズ組成化と水素終端による高品質化を同時達成するシリコン系多元混晶を独自プロセスで実現することを目指している。本年度は、アルミニウムとゲルマニウムの合金粒子を含むペーストを用いたシリコンゲルマニウム混晶薄膜の成長を試みた。その結果、アルミニウム粒子とゲルマニウム粒子の混合ペーストを用いて成長する従来技術と比較して、より低温でペーストとシリコン基板の界面に溶液層が形成され、冷却過程において高い表面・界面平坦性を有するシリコンゲルマニウム歪み緩和膜を実現できることを示した。薄膜内部に自発的に形成される成長方向の組成傾斜は、最表面での高ゲルマニウム組成の実現と貫通転位密度の低減に有用である。また、前年度に導入したパルスレーザとビームスキャン制御機構から構成される高性能薄膜加熱システムを活用し、シリコン系多元混晶薄膜の非平衡成長の実現可能性についての検討を開始した。多様な条件でレーザ照射を行った試料に対して構造評価を行い、レーザパルスのエネルギーを一定とした場合は、パルス幅を短くすることでゲルマニウムが高濃度化する傾向を見出した。また、平衡成長で成長したゲルマニウムスズ薄膜を対象として、放射光X線施設SPring-8においてスズ周りの原子構造の評価を行い、スズがゲルマニウムの格子位置と置換していることを検証するとともに、置換位置のスズ量の定量評価の見通しを得た。さらに水素終端の構造の観測を実現するため、大強度陽子加速器施設J-PARCでの白色中性子ホログラフィー装置について、当該研究計画により高分解能検出機を導入し高分解能化、高能率化を進めた。
2: おおむね順調に進展している
本予算にて初年度に設計・導入したパルスレーザとビームスキャン制御機構から構成される高性能薄膜加熱システムを順調に稼働させ、シリコンゲルマニウム薄膜において短パルス化によるゲルマニウムの高濃度化を実証することができた。また、合金化した粒子を用いてペーストを作製することでも高濃度化に有用であるということがわかった。これらの知見をスズを含むペーストに活用することで、高いスズ組成の準安定相の実現が期待できる。また、蛍光X線ホログラフィーによりスズ周辺の局所構造に成功し、スズ位置の確定に成功した。この置換位置のスズの定量評価に見通しを得ている。また、本研究課題により進めてきた白色中性子ホログラフィーの高度化に対し実証実験を行い、原子像の信頼性において顕著な性能向上を確認できた。これは、これまで観測困難であった元素でもホログラフィー実験の対象になることを意味し、実際、今年度はさまざまな対象試料での測定に成功している。これにより水素終端観測実現の可能性が見えてきた。よって、おおむね順調に進展していると判断した。
今後の研究においても、半導体材料を含む特殊なぺーストを印刷した半導体単結晶基板を非真空下で熱処理するというシンプルなプロセスをベースに、固溶限界を超える準安定な高スズ組成化と水素終端による高品質化を同時達成するシリコン系多元混晶を独自プロセスで実現することを目指して研究を進める。ゲルマニウムやスズを含むペーストをシリコン基板やゲルマニウム基板に印刷し、パルスレーザの利用を中心とするさまざまな手法の熱処理により、高いスズ組成の混晶薄膜の実現を目指す。また、水素プラズマによる欠陥終端機能を援用した高性能化や、大強度陽子加速器施設J-PARCにおいて、茨城大だけがもつ新技術である中性子ホログラフィーを用いて、本研究計画でここまで進めてきた高度化の成果をもとに、薄膜試料での局所構造測定に挑戦する。さらに、水素終端観測による水素位置と水素周辺の構造の可視化にも挑戦する。
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Applied Physics Letters
巻: 120 ページ: 132101～132101
10.1063/5.0080895
