対流制御による高品質InGaSb結晶の育成

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25289270
• 研究機関: 独立行政法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 稲富 裕光 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50249934)
• 研究分担者: 早川 泰弘 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 結晶工学 / 結晶成長 / 均一組成結晶 / InGaSb

研究実績の概要

平成26年度は、原料結晶の準備および平成25年度に引き続き強磁場中でのIn0.11Ga0.89Sb結晶の育成を行った。そして、遠心機上でInGaSb結晶育成を行った。
（１）Arivanandhan、早川は、原料と種結晶になるGaSb結晶および溶液帯となるTeドープInSbバルク結晶をチョクラルスキー法で育成した。
（２）稲富らは、6テスラの強い静磁場中でIn0.11Ga0.89Sb結晶育成を繰り返し行なった。その結果、磁場印加中では組成分布が均一化する傾向が見られた。
（３）稲富は、円板型遠心機に搭載する小型真空加熱炉を新たに製作して周辺機器とともに遠心機に組み込んだ。そしてInGaSbのモデル物質として低融点のBiSb結晶を選びその結晶育成を通して動作確認を行った。その結果、回転無しの条件に比べて1.4Gの印加重力条件の方が組成分布が均一になる傾向にあることが確認された。これは遠心機の回転に伴うコリオリ力の作用により回転無しの条件に比べて融液中の対流が抑制された結果と考えられる。更に同装置を用いてIn0.11Ga0.89Sb結晶の育成を試みたが、再現性の良い組成分布を得るに至らなかった。
（４）強磁場実験および遠心機実験の双方で、通常環境での育成に比べて種結晶からの成長量が増大した。対流が抑制されるのであれば成長量はむしろ減少するはずである。また、原料結晶の界面形状は数値計算の結果は溶液中の温度分布・濃度分布の影響を受けて丸みを帯びるが、磁場や遠心力の印加の有無にかかわらず実験における界面形状はファセットとなり、事前の予想に反していた。これらの実験結果から、種結晶側のみならず原料結晶側の溶解カイネティクスをも考慮して温度勾配除冷法のモデルを再検討する必要があることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成26年度末までに強磁場実験および遠心機実験の双方を実施出来た。そしてそれらの実験にて育成結晶の成長量が増大すること、磁場や遠心力の印加の有無にかかわらず原料結晶界面がファセット化することを見出した点は、当初の計画以上の成果を上げている。しかし、遠心機実験による育成結晶の組成制御に課題が残されている。

今後の研究の推進方策

平成26年度に引き続き遠心機実験を行い、過重力環境下での試料の保持方法や加熱ヒーターの温度制御の改善など成長条件を工夫することで育成結晶中の組成分布の再現性を向上させる。そして、強磁場印加と遠心機利用の実験結果を数値シミュレーション結果と比較し熱物質輸送と溶解・成長界面でのカイネティクスの影響を評価する。
更に、組成xが1に近いInxGa1-xSb結晶成長を行う。その際、種結晶と成長結晶の格子不整合を小さくするためにGaSbの代わりにInSbを種結晶として用い、幅広い組成領域での均一組成のInxGa1-xSb単結晶育成技術を確立する。

次年度使用額が生じた理由

当初、本年度購入予定の物品であった超伝導マグネット用蓄冷材一式の購入費を別予算で工面出来、また遠心機用真空加熱炉試料移動機構の一部を内製することで経費節減することが出来たため。

次年度使用額の使用計画

超伝導マグネット用蓄冷材一式、組成xが1に近いInxGa1-xSb結晶成長を行うための種結晶用InSb単結晶育成用の原料およびBN製坩堝など物品購入費、また著名な学術雑誌の投稿費・別刷り代に充てる。

研究成果

• [雑誌論文] A numerical study on growth process of InGaSb crystal under microgravity field with considering interfacial kinetics (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Okano, H. Mirsandi, Y. Inatomi, Y. Hayakawa and S. Dost
  • 雑誌名: Microgravity Science and Technology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1007/s12217-015-9417-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Viscosity of Molten InSb, GaSb, and InxGa1-xSb alloy semiconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sakata, M. Mukai, G. Rajesh, M. Arivanandhan, Y. Inatomi, T. Ishikawa, Y. Hayakawa
  • 雑誌名: International Journal of Thermophysics 巻: 35 ページ: 352-360
  • DOI: 10.1007/s10765-014-1582-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal growth of ternary alloy semiconductor and preliminary study for microgravity experiment at International Space Station (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sakata, M. Midori, M. Arivanandhan, G. Rajesh, T. Ishikawa, Y. Inatomi and Y. Hayakawa
  • 雑誌名: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan 巻: 12 ページ: Ph_31-Ph_35
  • DOI: 10.2322/tastj.12.Ph_31
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Crystal growth of InxGa1-xSb under Reduced Convection Condition (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Inatomi, Kaoruho Sakata, M. Arivanandhan, G. Rajesh, V. Nirmal Kumar, T. Koyama, Y. Momose, T. Ozawa, Y. Okano, and Y. Hayakawa
  • 学会等名: 3rd International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2015)
  • 発表場所: SRM Universit, Tamilnadu, India
  • 年月日: 2015-02-04 – 2015-02-06
  • 招待講演
• [学会発表] Growth Process of InGaSb under Microgravity and Normal Gravity Conditions (2015)
  • 著者名/発表者名: V. Nirmal Kumar, M. Arivanandhan, G. Rajesh, Y. Katsumata, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • 学会等名: 2015 International Symposium toward the Future of Advanced Researches in Shizuoka University
  • 発表場所: Shizuoka University. Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-01-27 – 2015-01-28
• [学会発表] 国際宇宙ステーション内の微小重力環境下における混晶半導体結晶成長 (2015)
  • 著者名/発表者名: 早川泰弘, 稲富裕光, 阪田薫穂, 石川毅彦, 高柳昌弘, 上垣内茂樹, M. Arivanandhan, V. Nirmal Kumar, G. Rajesh, 小山忠信, 百瀬与志美, 小澤哲夫, 岡野泰則
  • 学会等名: 第29回宇宙環境利用シンポジウム
  • 発表場所: 宇宙航空研究開発機, 神奈川県相模原市
  • 年月日: 2015-01-24 – 2015-01-25
• [学会発表] Effect of gravity on the growth of InGaSb ternary alloy semiconductor bulk crystals (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Katsumata, M. Arivanandhan, V. Nirmal Kumar, G. Rajesh, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • 学会等名: SRM University - Shizuoka University Joint Symposium
  • 発表場所: Shizuoka University, Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-01-07 – 2015-01-07
• [学会発表] Japanese Crystal Growth Experiments on International Space Station (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuko Inatomi and Masahiro Takayanagi
  • 学会等名: The 2nd China-Japan Workshop on Material Science in Space
  • 発表場所: Jinan, Shandong Province, China
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [学会発表] InGaSb alloy semiconductor growth under 1G and microgravity (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Hayakawa, M. Arivanandhan, V. Nirmal Kumar, G. Rajesh, Y. Katsumata, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa and Y. Okano
  • 学会等名: The 2nd China-Japan Workshop on Material Science in Space
  • 発表場所: Jinan, Shandong Province, China
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [学会発表] Numerical investigation of melting and growth of InGaSb by using temperature gradient method (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Okano, H. Mirsandi, T. Yamamoto, Y. Takagi, Y. Inatomi and Y. Hayakawa
  • 学会等名: The 2nd China-Japan Workshop on Material Science in Space
  • 発表場所: Jinan, Shandong Province, China
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [学会発表] InGaSb結晶成長に対する重力効果 ―国際宇宙ステーション内の微小重力下と1G下実験― (2014)
  • 著者名/発表者名: Velu Niramal Kumar, Mukannan Arivanandhan, Govindasamy Rajesh, 小山忠信, 百瀬与志美, 稲富裕光, 阪田薫穂, 石川毅彦, 高柳昌弘, 上垣内茂樹, 小澤哲夫, 岡野泰則, 早川泰弘
  • 学会等名: 日本マイクログラビティ応用学会第26回学術講演会
  • 発表場所: イーグレ姫路, 兵庫県姫路市
  • 年月日: 2014-11-26 – 2014-11-28
• [学会発表] ISSにおけるInGaSb結晶成長実験に対する数値シミュレーション (2014)
  • 著者名/発表者名: ミルサンディ ハルヨ, 山本卓也, 高木洋平, 岡野泰則, 稲富裕光, 早川泰弘
  • 学会等名: 日本マイクログラビティ応用学会第26回学術講演会
  • 発表場所: イーグレ姫路, 兵庫県姫路市
  • 年月日: 2014-11-26 – 2014-11-28
• [学会発表] InGaSb混晶半導体結晶成長に対する重力効果―国際宇宙ステーション実験― (2014)
  • 著者名/発表者名: 早川泰弘, Mukannan Arivanandhan, Velu Niramal Kumar, Govindasamy Rajesh, 小山忠信, 百瀬与志美, 稲富裕光, 阪田薫穂, 石川毅彦, 高柳昌弘, 上垣内茂樹, 小澤哲夫, 岡野泰則
  • 学会等名: 第44回結晶成長国内会議
  • 発表場所: 学習院創立百周年記念会館, 東京都豊島区
  • 年月日: 2014-11-06 – 2014-11-08
• [学会発表] Crystal growth of InxGa1-xSb alloy semiconductor under microgravity at International Space Station (ISS) and comparison with ground based experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Yoda, Y. Kamigaichi, M. Arivanandhan, G. Rajesh, V. Nirmal Kumar, T. Koyama, Y. Momose, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • 学会等名: 10th Asian Microgravity Symposium
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 2014-10-28 – 2014-10-31
• [学会発表] A numerical study on growth process of InGaSb crystal under microgravity field with considering interfacial kinetics (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Okano, H. Mirsandi, Y. Inatomi, Y. Hayakawa and S. Dost
  • 学会等名: 10th Asian Microgravity Symposium
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 2014-10-28 – 2014-10-31
• [学会発表] 微小重力環境下でのInGaSb結晶成長における界面カイネティクスの影響に関する数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: ハルヨ・ミルサンディ, 山本卓也, 高木洋平, 岡野泰則, 稲富裕光, 早川泰弘
  • 学会等名: 第63回理論応用力学講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都目黒区
  • 年月日: 2014-09-26 – 2014-09-28
• [学会発表] Growth and properties of InGaSb alloy semiconductor crystals grown under microgravity and 1G conditions (2014)
  • 著者名/発表者名: V. Nirmal Kumar, M. Arivanandhan, G. Rajesh, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa, Y. Okano, Y. Hayakawa
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス, 北海道札幌市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Growth of InGaSb alloy semiconductor crystal under 1G condition as a preliminary study for microgravity experiment at International Space Station (2014)
  • 著者名/発表者名: V. Nirmal Kumar, M. Arivanandhan, G. Rajesh, T. Koyama, Y. Momose, Y. Inatomi, K. Sakata, T. Ishikawa, M. Takayanagi, S. Kamigaichi, T. Ozawa, Y. Okano and Y. Hayakawa
  • 学会等名: 13th International Conference on Global Research and Education (Inter-Academia 2014)
  • 発表場所: Riga Technical University, Riga, Latvia
  • 年月日: 2014-09-10 – 2014-09-12
• [学会発表] First Experiment of Alloy Semiconductor Project in ISS (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuko Inatomi, Kaoruho Sakata, Yasuhiro Hayakawa, Takehiko Ishikawa, Mukannan Arivanandhan, Govindasamy Rajesh, Tadanobu Koyama, Yoshimi Momose, Krishnasamy Sankaranarayanan, Akira Tanaka, Tetsuo Ozawa, Yasunori Okano, Masahiro Takayanagi, Shinichi Yoda, and Y. Kamigaichi
  • 学会等名: 40th COSPAR Scientific Assembly (COSPAR MOSCOW 2014)
  • 発表場所: Moscow, Russia
  • 年月日: 2014-08-02 – 2014-08-10