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2019 年度 実績報告書

結晶欠陥を生かすためのGaAs系混晶半導体の低温成長技術の確立

公募研究

研究領域特異構造の結晶科学:完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス
研究課題/領域番号 19H04548
研究機関広島大学

研究代表者

富永 依里子  広島大学, 先端物質科学研究科, 講師 (40634936)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードGaAs系半導体混晶 / 低温成長 / アモルファス堆積 / X線回折
研究実績の概要

本研究では、光通信帯光源が利用可能なテラヘルツ波発生検出用光伝導アンテナ(PCA)の開発を行うことを最終目的としている。その候補材料として研究代表者が取り組んでいるビスマス(Bi)系III-V族半導体の最終的な材料の成長に向けて、今年度は、三元混晶のInGaAsとGaAsBiの分子線エピタキシャル(MBE)成長と基礎物性の解明に取り組んだ。

両混晶とも、250℃以下の低温成長を適用し、今後のPCAの製作に向けて意図的に結晶内に点欠陥が取り込まれるようにした。InGaAs, GaAsBiいずれの場合も、基板温度が180℃の場合には、InP(001)とGaAs(001)基板上にそれぞれアモルファスとして堆積した。一方基板温度が250℃の場合には単結晶が成長した。単結晶の成長時には、いずれの場合もX線回折パターンにおいて、回折ピークには干渉フリンジが確認できた。250℃という低温成長であっても、電子面間隔が均一かつ基板との界面が平坦なInGaAsやGaAsBiが得られることが明らかになった。低温成長GaAsBiにおいては、MBE成長時に適用したAs/Ga分子線量比を成長表面に供給されるAs/Ga原子数比に換算して考察した結果、供給原子数比が1未満ではBiが薄膜内で表面偏析し、1より大きい場合にはBiが均一に取り込まれることを明らかにした。

これら250℃で低温成長したInGaAsとGaAsBiの光吸収スペクトルに対し、関数のフィッティングを行うことでバンド端の揺らぎの評価を行った。その結果、低温成長GaAsBiのバンド端の揺らぎはInGaAsの場合の約10倍であることが示唆された。この揺らぎの原因として、GaAsBi内のBiクラスターの存在やアンチサイトAs, 格子間AsおよびGa空孔やこれらの複合欠陥といった点欠陥の存在が推測される。

現在までの達成度 (区分)
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

GaAsBi内のBi原子を薄膜内に均一に取り込むことが可能な低温MBE成長条件を見出すことができ、III-III-V族半導体であるInGaAsとIII-V-V族半導体であるGaAsBiの結晶性の類似性や基礎特性の差異を明らかにすることができたため、順調に進んでいると判断した。

今後の研究の推進方策

今年度に明らかになった「低温成長GaAsBiのバンド端の揺らぎ」について、現時点ではBiクラスターやアンチサイトAs, 格子間As等の点欠陥がGaAsBi結晶内に存在していることを反映したものと推測している。最終的なPCAの製作に向けて、これら点欠陥の種類や密度とMBE成長条件の相関を得ることが次年度の課題である。新学術領域内での共同研究体制を整えるなどして、点欠陥の確認や種類の評価を行う予定である。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (8件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Crystalline quality of low-temperature-grown InxGa1-xAs coherently grown on InP(001) substrate2020

    • 著者名/発表者名
      Yoriko Tominaga, Shingo Hirose, Kentaro Hirayama, Hitoshi Morioka, Noriaki Ikenaga, and Osamu Ueda
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2020.125703

    • 査読あり
  • [学会発表] MBE成長条件が低温成長GaAs1-xBix のBi偏析に与える影響2020

    • 著者名/発表者名
      高垣佑斗,堀田行紘,富永依里子,行宗詳規,藤原亮,石川史太郎
    • 学会等名
      2019年度 第4回半導体エレクトロニクス部門委員会 第1回講演会・見学会
  • [学会発表] 低温成長GaAs1-xBixの分子線エピタキシャル成長条件2020

    • 著者名/発表者名
      富永依里子、堀田行紘、高垣佑斗、行宗詳規、藤原亮、石川史太郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 低温成長GaAs1-xBixの結晶学的・光学的両特性2020

    • 著者名/発表者名
      横手竜希、堀田行紘、高垣佑斗、林亮輔、富永依里子、行宗詳規、藤原亮、石川史太郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 固相成長したInGaAsの結晶性評価2019

    • 著者名/発表者名
      堀田行紘,平山賢太郎,富永依里子,池永訓昭,上田修
    • 学会等名
      第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
  • [学会発表] Growth conditions of low-temperature-grown GaAs1-xBix/低温成長GaAs1-xBixの成長条件2019

    • 著者名/発表者名
      堀田行紘,富永依里子,行宗詳規,藤原亮,石川史太郎
    • 学会等名
      第38回電子材料シンポジウム(EMS38th)
  • [学会発表] Crystallinity evaluation of low-temperature-grown GaAs1-xBix/低温成長GaAs1-xBixの結晶性評価2019

    • 著者名/発表者名
      高垣佑斗,堀田行紘,富永依里子,行宗詳規,藤原亮,石川史太郎
    • 学会等名
      第38回電子材料シンポジウム(EMS38th)
  • [学会発表] Rutherford backscattering spectrometry for Bi segregation in low-temperature-grown GaAs1-xBix/低温成長GaAs1-xBixのBiの偏析に対するラザフォード後方散乱法の適用2019

    • 著者名/発表者名
      藤野翔太朗,堀田行紘,高垣佑斗,富永依里子
    • 学会等名
      第38回電子材料シンポジウム(EMS38th)
  • [学会発表] 局在準位の解明に向けた低温成長 InxGa1-xAsの光学的評価2019

    • 著者名/発表者名
      林亮輔,釣崎竣介,富永依里子
    • 学会等名
      2019年度 応用物理学会中国四国支部 若手半導体研究会
  • [備考] 広島大学 研究者総覧

    • URL

      http://seeds.office.hiroshima-u.ac.jp/profile/ja.9797704fc927298d520e17560c007669.html

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公開日: 2023-12-25  

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