(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉された容器内に配置した基板上にSb2Te3エピタキシャル単結晶を成長させるSb2Te3単結晶薄膜の製造方法であって、
Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる基板温度で、Bi2Te3を基板上に堆積させるバッファ成長段階と、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも大きくなる温度まで前記基板温度を上げたのち、更に、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる温度まで前記基板温度を下げるアニール段階と、これらのバッファ成長段階及びアニール段階によって前記基板上に成長させたBi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に、Sb2Te3単結晶を成長させる結晶成長段階とを含んでなるSb2Te3単結晶薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記バッファ成長段階において、Bi分子線及びTe分子線を発生させて前記基板上に照射することにより、Bi2Te3を基板上に堆積させることを特徴とする請求項１に記載のSb2Te3単結晶薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記結晶成長段階において、Sb分子線及びTe分子線を発生させて前記Bi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に照射することにより、Sb2Te3単結晶を成長させることを特徴とする請求項１又は２に記載のSb2Te3単結晶薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記Bi分子線、Te分子線及びSb分子線を分子線エピタキシー法によって発生させ、かつ、該分子線エピタキシー法における温度条件を、Biソースが５５０〜５７０℃、Teソースが３１０〜３３０℃、Sbソースが４５０〜４７０℃、及び基板表面が２５５〜２７５℃とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のSb2Te3単結晶薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか一項に記載された方法によって製造したことを特徴とするSb2Te3単結晶薄膜。
【請求項６】
前記請求項５に記載されたSb2Te3単結晶薄膜を用いたことを特徴とする熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソリッドステートエアコンを実現するペルチェ素子、排熱エネルギーの回収に使用される熱電発電素子、及び温度センサーなどの熱電変換素子に用いられるＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題が非常に重要視され、空調器や冷却器についてのフロンレス化、及び熱交換効率の向上による省エネルギー化が望まれている。熱電変換素子は、熱エネルギーと電気エネルギーの可逆的な直接変換素子として有望であるが、従来は変換効率が低いため、広く普及するには至らなかった。
熱電変換素子の変換効率を改善する方法として、熱電変換材料によって厚さ数十Åという極めて薄い膜を形成し、この膜よりもバンドギャップ幅が広い材料で膜を挟み込む量子井戸構造が有効であることをL.D.Hicksらは明らかにしている。
【０００３】
この技術は、L.D.Hicks and M.S.Dresselhaus,“Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit”,Phys.Rev.B 47,19,pp.12727-12731(1993)という文献に発表されている。
室温近傍領域で用いられる代表的な熱電変換材料であるBi2Te3で量子井戸構造を実現するには、量子井戸層Bi2Te3を挟み込む好適な障壁層の材料を選択することが必要である。極めて薄い膜を多層積層するには、各々の層が原子レベルで平坦な単結晶層でなければならず、下地層の結晶構造を反映して上層の結晶を成長させるエピタキシャル単結晶成長を行なう。Sb2Te3は、Bi2Te3と同じ結晶系に属し、Bi2Te3に極めて近い格子定数を有するため、障壁層として有望な材料である。
【０００４】
通常、単結晶膜を基板上に成長させるには、成長させようとする目的生成物と結晶構造及び格子定数がほぼ近い基板を選択しなければならない。Sb2Te3単結晶膜を成長させる場合、Sb2Te3に結晶構造及び格子定数がほぼ近い基板として、サファイア(Al2O3)基板が挙げられる。
しかし、このサファイア(Al2O3)基板の格子面（０００１）面においても、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)装置で、サファイア基板上に直接Sb2Te3を成長させようとするとSb2Te3は多結晶成長してしまうため、Sb2Te3単結晶膜をサファイア基板上に成長させることが困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題を解決し、分子線エピタキシー法を用いて、Sb2Te3単結晶膜を簡単でかつ安価なコストで基板上に成長させることができるSb2Te3単結晶薄膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法は、密閉された容器内に配置した基板上にSb2Te3エピタキシャル単結晶を成長させるSb2Te3単結晶薄膜の製造方法であって、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる基板温度で、Bi2Te3を基板上に堆積させるバッファ成長段階と、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも大きくなる温度まで前記基板温度を上げたのち、更に、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる温度まで前記基板温度を下げるアニール段階と、これらのバッファ成長段階及びアニール段階によって前記基板上に成長させたBi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に、Sb2Te3単結晶を成長させる結晶成長段階とを含む方法である。
【０００７】
前記基板としては、特に限定されないが、Sb2Te3単結晶の結晶構造及び格子定数が比較的に近いサファイア（Ａｌ2Ｏ3）が好ましい。しかし、前述したように、このサファイア基板の格子定数はSb2Te3単結晶と若干相違するため、サファイア基板に直接Sb2Te3単結晶を成長させることが困難であった。
本発明によれば、Bi2Te3単結晶薄膜を、基板とSb2Te3単結晶薄膜とのバッファ層とすることにより、良質なSb2Te3単結晶薄膜を作製することができる。
【０００８】
前記容器内の圧力は、特に限定されないが、例えば、１０-6〜１０-8Ｐａの範囲が好ましい。そして、前記バッファ成長段階及びアニール段階は、各々、一回ずつ行っても良いが、安定した薄膜を作製するには、例えば二回などの複数回繰り返して行うことが望ましい。バッファ成長段階の処理時間は、好ましくは、５〜１２０秒間であり、更に好ましくは、１０〜６０秒間である。なお、アニール段階の処理時間は、１〜１０分間であり、更に好ましくは、３〜５分間である。
【０００９】
また、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法の一態様では、前記バッファ成長段階において、Bi 分子線及びTe 分子線を発生させて前記基板上に照射することにより、Bi2Te3を基板上に堆積させる方法である。
さらに、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法の別の態様では、前記結晶成長段階において、Sb分子線及びTe 分子線を発生させて前記Bi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に照射することにより、Sb2Te3単結晶を成長させる方法である。
【００１０】
このように、Bi2Te3を基板上に堆積させる方法やBi2Te3単結晶の表面にSb2Te3単結晶薄膜を成長させる方法として、特別な装置を必要しない一般的な分子線エピタキシー法を用いることにより、簡単でかつ安価なコストでSb2Te3単結晶薄膜を作製することができる。
そして、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法の更に別の態様では、前記Bi 分子線、Te 分子線及びSb分子線を分子線エピタキシー法によって発生させ、かつ、該分子線エピタキシー法における温度条件を、Bi ソースが５５０〜５７０℃、Te ソースが３１０〜３３０℃、Sbソースが４５０〜４７０℃、及び基板表面が２５５〜２７５℃とする方法である。
前述した温度条件下で分子線エピタキシー法を行うことにより、良質なSb2Te3単結晶薄膜を得ることができ、逆に、これらの温度範囲を外れると多結晶となってしまう。
【００１１】
また、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜は、前述した方法によって製造した薄膜である。
単結晶薄膜の成長法として一般的な分子線エピタキシー法によってSb2Te3エピタキシャル単結晶薄膜を作製できるため、特別な装置等を必要とせずに、簡単かつ安価なコストで行うことができる。
【００１２】
そして、本発明に係る熱電変換素子は、前記Sb2Te3単結晶薄膜を用いた熱電変換素子である。
この熱電変換素子とは、熱エネルギーと電気エネルギーを可逆的に直接変換するものであり、ソリッドステートエアコンに用いられるペルチェ素子、排熱エネルギーの回収に用いる熱電発電素子、及び温度センサーなどがある。
なお、本発明においては、基板と、該基板上に成長させたBi2Te3単結晶バッファ層と、該Bi2Te3単結晶バッファ層上に成長させたSb2Te3単結晶薄膜とを備えた熱電変換材料を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に係るＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。この実施の形態においては、分子線エピタキシー法（以下、MBE法という）を用い、サファイア基板上に、Ｂｉ2Ｔｅ3のエピタキシャル単結晶薄膜を介してSb2Te3エピタキシャル単結晶薄膜を作製する一例について説明する。
【００１４】
［分子線エピタキシー装置］
本発明に用いる分子線エピタキシー装置（以下、MBE装置という）の構造を図１に概略的に示す。
【００１５】
このMBE装置２０は、真空容器１によって外部から遮断され、内部は１０-7Pa以下の所定の圧力（例えば、１０-8Ｐａ）に保持されている。前記真空容器１は、排気ダクト２を介して、ターボ分子ポンプ又はクライオポンプなどの高真空排気手段（図示せず）に接続されており、目的とする薄膜を成長させるための基板３は、基板ホルダー４に保持されている。基板ホルダー４には、図示しない加熱手段及び温度調節機能が設けられており、基板３の温度を任意の設定温度に保持することができる。
【００１６】
また、Ｋセル(Knudsen Cell)８ａ，８ｂ，８ｃが基板３に向けて配設されており、このＫセル内にるつぼ９ａ，９ｂ，９ｃ、加熱ヒーター１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、及び開閉可能なシャッター１１ａ，１１ｂ，１１ｃが設けられている。Bi（ビスマス）ソース５、Sb（アンチモン）ソース６、及びTe（テルル）ソース７は、前記Ｋセル８ａ〜８ｃ内のるつぼ９ａ〜９ｃに充填されており、前記ソース加熱ヒーター１０ａ〜１０ｃで加熱されるように構成されている。
【００１７】
このソース加熱ヒーター１０ａ〜１０ｃでソース５〜７を加熱すると蒸発し、それぞれ、分子線２２ａ，２２ｂ，２２ｃとなり、真空容器１中の残留ガス分子に衝突することなく基板３の表面上に到達し、薄膜成長の材料供給源となる。そして、前記シャッター１１ａ〜１１ｃを開閉制御することにより、基板３の表面に元素を選択的に供給することができ、所望の組成材料を成長させることができる。
【００１８】
さらに、真空容器１の上部側壁には、反射高速電子線回折(Reflection High Energy Electron Diffraction:以下、RHEEDという)電子銃１２ａと、該電子銃１２ａに対向してRHEEDスクリーン１２ｂが配設されている。
前記薄膜の成長は、RHEED像によって、基板３上の成長表面を実時間で観測することができる。RHEED電子銃１２ａから２〜３°の角度で基板３表面に電子線２１を照射すると、RHEEDスクリーン１２ｂの裏面に塗布された蛍光面に、成長表面の結晶構造情報を含有した反射電子線２１が照射される。この蛍光パターンを観察することで、基板３上で成長する結晶表面状態を知ることができる。
なお、真空容器１の上端部には、真空容器１内部の真空度を測定する真空度測定手段１３が配設されている。この真空度測定手段１３としては、例えば電離真空計などを好適に用いられる。
【００１９】
［基板］
基板３は、前述したように、エピタキシャル成長させる目的生成物の結晶構造に近い単結晶が用いられる。本発明における目的生成物Sb2Te3単結晶は、図２に示すように三方晶に属し、ａ0＝4.262Å、ｃ0＝30.450Åの格子定数を有する。ｃ軸方向への結晶成長を考えると、基板３は、同じ晶系である三方晶あるいは六方晶で、ｃ(0001)面内の格子定数ａ0が近い材料が基板材料として望ましい。これに加えて、材料の入手性や表面研磨性などの物理的要因の考慮すると、三方晶で格子定数ａ0＝4.763Å、ｃ0＝13.003Åと比較的近いａ0を有するサファイア単結晶が好ましい。しかし、Sb2Te3単結晶とサファイアとのａ0の差異は11.8％におよぶため、両者のヘテロ接合界面で歪を生じることになり、良質な単結晶を育成する阻害要因となる。
【００２０】
ここで、様々なソース温度や基板温度条件において、分子線エピタキシー法によってサファイア基板上へ直接Sb2Te3成長させようと試みても、Sb2Te3がランダムな方位に配向した多結晶となってしまい、エピタキシャル単結晶は得られない。その一方、Bi2Te3単結晶は、三方晶系でａ0＝4.3852Å、ｃ0＝30.483ÅとSb2Te3に極めて近い格子定数を有し、かつ、ａ0（Sb2Te3）＜ａ0（Bi2Te3）＜ａ0（サファイア）という条件を満たしている。そこで、Bi2Te3単結晶をサファイア単結晶とSb2Te3単結晶との間のバッファ層として用いることで、サファイアとSb2Te3との格子定数における不整合を緩和させることに本発明者らは着目した。
【００２１】
［蒸気圧］
図３に示すのは、ソース源であるBi,Te,Sbおよび目的生成物であるBi2Te3とSb2Te3の蒸気圧曲線である。MBE装置は、１０-7Ｐａ以下の所定の圧力に設定された真空容器内の背圧に対して、ソース５〜７を加熱することにより、蒸発させて分子線を発生させ、該分子線を基板３に照射して基板表面に材料を供給する装置である。
【００２２】
また、Bi蒸気圧とTe蒸気圧の比率、及びSb蒸気圧とTe蒸気圧の比率が、それぞれBi2Te3およびSb2Te3の化学量論組成比2:3よりややTeの比率が高い程度とする。Teの比率を高くするのは、同一温度に対する蒸気圧はTeの方が遙かに高く、生成されたBi2Te3からの再蒸発によるTe欠損を防ぐためである。
【００２３】
さらに、Bi2Te3成長用TeソースとSb2Te3成長用Teソースを共用するため、同一のTe蒸気圧に対するBiソース５及びSbソース６各々の蒸気圧を考慮する。基板表面温度は高いほうが不安定分子が再蒸発して良質な結晶が得られやすいが、目的生成物の蒸気圧が真空容器背圧より低くなるようにしなければならない。したがって、Bi2Te3,Sb2Te3蒸気圧曲線から、真空容器１内の圧力を１０-7Ｐａとした場合、後述するバッファ成長I,II,IIIにおいて、基板表面温度は約270℃以下に設定しなくてはならないことがわかる。
【００２４】
［本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の作製方法］
次いで、図４を用いて、本発明に係るMBE成長プロセスを用いてSb2Te3単結晶をサファイア基板上に、Bi2Te3単結晶をバッファとして成長させる方法を説明する。なお、以下の説明においては、後述する図４からも明らかなように、温度Ｔａ１，Ｔａ３，Ｔａ５は、Ｂｉ2Ｔｅ3蒸気圧が真空容器内の圧力よりも大きくなる温度であり、温度Ｔａ２，Ｔａ４，Ｔgrowthは、Ｂｉ2Ｔｅ3蒸気圧が真空容器内の圧力よりも小さくなる温度である。
まず、１０-7Pa以下の高真空雰囲気下（例えば、１０-8Ｐａ）で基板３を温度Ta１まで加熱することによって、基板３の表面における汚染物質を蒸発及び除去する（Pa１工程：サーマルクリーニング）。
次いで、基板表面の温度をTa２となるように温度調整を行なう（Pa２工程：温度調整）。
【００２５】
さらに、充分に時間が経過して各部の設定温度が熱平衡状態に達したら、Biシャッター１１ａとTeシャッター１１ｃを開き、基板表面にBi分子線２２ａ及びTe分子線２２ｃを照射して基板３上にBi2Te3を成長させ、成長時間ｔａ３が経過した段階でBiシャッター１１ａを閉じる（Pa３工程：バッファ成長Ｉ）。
次いで、基板温度をＴａ３まで昇温し、所定温度に達したら速やかに加熱を停止して基板温度をＴａ４となるよう調整することにより、Bi2Te3バッファ層のアニーリングを行う（Ｐａ４工程:アニールＩ）。
そして、基板温度がＴａ４になり熱平衡状態に達したら、再びBiシャッター１１ａを開いて、Bi分子線２２ａを基板３に照射してｔａ５だけ成長を行ったのち、Biシャッター１１ａを閉じる（Ｐａ５工程:バッファ成長II）。
【００２６】
さらに、基板温度をＴａ５まで昇温することによりBi2Te3バッファ層のアニーリングを行う（Ｐａ６工程:アニールII）。
基板温度がＴａ５に達したのち、速やかに加熱を停止して基板３を結晶成長温度Ｔgrowth（Ｔａ４）となるよう調整すると同時に、Biシャッター１１ａを開けてBi分子線２２ａを基板３に照射し、基板温度がＴgrowth（Ｔａ４）に低下するまでの時間ｔbuff（ｔａ７）だけBi2Te3単結晶バッファの成長を行なう（Ｐａ７工程:バッファ成長III）。
【００２７】
次に、Biシャッター１１ａを閉じ、Sbシャッター１１ｂを開けることにより、Sb2Te3単結晶成長に切り替え、基板温度をＴgrowth（Ｔａ４）にしたまま、所望の膜厚が得られる時間ｔgrowth（ｔａ８）だけSb2Te3単結晶成長を行なう（Ｐａ８工程:結晶成長）。
結晶成長を終えた後に、Sbシャッター１１ｂ,Teシャッター１１ｃを閉じて基板３上に成長した試料を徐冷して成長プロセスを終了する（Ｐａ９工程）。
【００２８】
［本発明に係るSb2Te3単結晶成長試料の構造］
本発明に係る方法によって作製したSb2Te3単結晶成長試料の断面構造は、図５はに示すとおりである。サファイア基板３１の上に、格子定数の不整合を緩和するBi2Te3単結晶バッファ層３２を設け、このバッファ層３２の表面にSb2Te3単結晶３３が成長している。このときの基板温度および各ソース温度条件は、基板温度：255〜275℃、Biソース：550〜570℃、Teソース：310〜330℃、Sbソース：450〜470℃である。なお、これらの温度範囲における好ましい範囲は、基板温度：255〜265℃、Biソース：558〜562℃、Teソース：318〜322℃、Sbソース：458〜462℃である。
【００２９】
【実施例】
次いで、実施例によって本発明を具体的に説明する。なお、本実施例では、BiソースをTbi＝560℃、SbソースをTSb＝460℃、TeソースをTTe＝320℃としている。
【００３０】
まず、図１に示す真空容器１内を１０-7Ｐａの高真空雰囲気とし、図４に示すように、基板温度を700℃（Ｔａ１）まで加熱して、基板表面の汚染物質を蒸発及び除去した（Ｐａ１工程：サーマルクリーニング）。次いで、基板温度を170℃（Ｔａ２）となるように温度調整を行ない、充分に時間が経過して各部の設定温度が熱平衡状態に達したら（Pa２工程）、基板表面にBi,Te各ソース分子線２２ａ，２２ｃを照射するため、Biシャッター１１ａとTeシャッター１１ｃを開いてBi2Te3を成長させ、成長時間３０秒間が経過した時点でBiシャッター１１ａを閉じた（Pa3工程:バッファ成長Ｉ）。
【００３１】
次いで、基板温度を345℃（Ｔａ３）まで昇温し、所定温度に達したら速やかに加熱を停止して基板温度を255℃（Ｔａ４）となるよう調整した（Pa4工程:アニールＩ）。基板温度が255℃（Ｔａ４）になり熱平衡状態に達したら、再びBiシャッター１１ａを開き、5分間（ｔａ５）だけ結晶成長を行いBiシャッター１１ａを閉じた（Pb5工程:バッファ成長II）。基板温度を405℃（Ｔａ５）まで昇温した（Pb6工程:アニールII）。所定温度に達したら、速やかに加熱を停止して基板を結晶成長温度Ｔgrowthである255℃に調整すると同時に、Biシャッターを開けて基板温度がＴgrowthに低下するまでの時間ｔbuffである２０分間だけBi2Te3単結晶バッファ層３２の成長を行なった（Pa7工程:バッファ成長III）。
【００３２】
最後に、Biシャッター１１ａを閉じ、Sbシャッター１１ｂを開けることにより、Sb2Te3単結晶成長に切り替え、所望の膜厚が得られる時間ｔgrowthだけSb2Te3単結晶成長を行なった（Pa8工程:結晶成長）。
結晶成長を終えた後に、Sb,Teシャッター１１ｂ１１ｃを閉じて基板３上に成長した試料を徐冷して成長プロセスを終了した（プロセスPa9）。本実施例におけるPa4工程およびPa6工程は、Bi2Te3単結晶バッファ層３２のアニーリングで、サファイア基板３１上への格子定数が異なるBi2Te3単結晶成長を促す処理として有用である。
【００３３】
図６及び図７は、本実施例によるMBE成長プロセスでSb2Te3単結晶膜を成長させた場合のRHEED写真で、図６はBi2Te3単結晶バッファ層３２の成長中の状態を示し、図７はSb2Te3単結晶成長中の状態を示している。図６及び図７共に縦縞のストリークパターンが現れており、成長試料表面が原子レベルで平坦な単結晶となったことを示している。また、両者のストリークの間隔に差異はなく、格子定数が近いことを示している。
【００３４】
本実施例により成長させたSb2Te3単結晶薄膜試料のＸ線回折結果を図８に示す。Ｘ線回折のピークは、41.72°にサファイア基板３１の(0006)面、44.66°にSb2Te3およびバッファBi2Te3の(00015)面、54.39°にSb2Te3およびBi2Te3バッファ層３２の(00018)面の他、(0009),(00012)ピークが現れている。サファイア、Sb2Te3又はBi2Te3のｃ面に相当する回折ピークのみ観測されていることから、サファイア基板表面のｃ(0001)面上に、Bi2Te3バッファ層３２とSb2Te3層３３のｃ軸が、基板面と垂直な方向に単結晶成長していることが確認できた。
【００３５】
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変更又は変形が可能である。例えば、図９に示すように、Bi2Te3単結晶バッファ層３２をサファイア基板３１上に成長させた後、Sbシャッター１１ｂとBiシャッター１１ａを交互に開閉することにより、Bi2Te3とSb2Te3を交互に積層させた交互積層膜の成長を行うことができる。
【００３６】
図４と同様なプロセスで、サファイア基板３１上にBi2Te3単結晶バッファ層３２を形成した（Pb1工程〜Pb7工程）後、Teシャッター１１ｃは開けたまま、Sbシャッター１１ｂとBiシャッター１１ａを交互に開閉することで、Bi2Te3／Sb2Te3交互積層膜を成長させることができる（Pb8工程）。所望の回数だけBi2Te3／Sb2Te3交互積層膜を積層させたら、Sb,Bi,Teシャッター１１ｂ，１１ａ，１１ｃを閉じて、基板３上に成長した試料を徐冷して成長プロセスを終了する（Pb9工程）。
このプロセスによって積層したBi2Te3／Sb2Te3交互積層膜の断面構造を図１０に示す。この図１０に示すように、サファイア基板４１上に形成されたBi2Te3バッファ層４２上に、Bi2Te3単結晶薄膜４３とSb2Te3単結晶薄膜４４が交互に積層されている。
【００３７】
図１１はBi2Te3とSb2Te3各層の成長時間と膜厚を示したグラフであり、直線（破線又は実線）の勾配がそれぞれの成長速度となる。このグラフは、成長温度条件として、Biソース温度ＴBiを560℃、Sbソース温度ＴSbを460℃、Teソース温度ＴTeを320℃とした場合における成長速度を示している。Bi2Te3層とSb2Te3層の成長速度は各々106Å/min，105Å/minであり、この成長速度を基にBiシャッター１１ａ及びSbシャッター１１ｂの開成時間を調整することよって、所望の膜厚制御を行うことができる。
【００３８】
Biシャッター１１ａおよびSbシャッター１１ｂの開時間を各々30秒間とし、50サイクルだけ交互積層を行い、これによって得られたBi2Te3／Sb2Te3交互積層膜試料のＸ線回折分析結果を図１２に示す。
このシャッター開時間の設定では、それぞれの層の厚さは、約50Å程度になると思われる。図１２では、特に(00018)面ピーク付近を示しているが、主ピーク(0)を対称軸として超格子構造に特有なサテライトピーク(-3,-2,-1,1,2,3)が現れており、Bi2Te3／Sb2Te3の周期構造が形成できていることが確認できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、Bi2Te3単結晶を基板とSb2Te3とのバッファとすることにより、分子線エピタキシー法を用いて、簡単でかつ安価なコストで良質なSb2Te3単結晶薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜の製造に用いる分子線エピタキシー装置を示す断面図である。
【図２】三方系晶の結晶構造を示す概念図である。
【図３】本発明に係る単結晶薄膜に用いるＢｉ2Ｔｅ3、Ｓｂ2Ｔｅ3、Ｂｉ及びＴｅの蒸気圧曲線である。
【図４】本発明に係るＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜の成長法の工程を示す概念図である。
【図５】本発明に係るＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜の構造を示す断面図である。
【図６】本実施例のＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜を成長させた場合における、Ｂｉ2Ｔｅ3単結晶バッファ成長中のＲＨＥＥＤ写真である。
【図７】本実施例のＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜を成長させた場合における、Ｓｂ2Ｔｅ3単結晶成長中のＲＨＥＥＤ写真である。
【図８】本発明に係るＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜試料のＸ線回折結果を示すグラフである。
【図９】本発明の変形例に係るＳｂ2Ｔｅ3単結晶薄膜の工程を示す概念図である。
【図１０】本発明の変形例に係るＢｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3交互積層膜の構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の変形例に係るＢｉ2Ｔｅ3層及びＳｂ2Ｔｅ3層の各々の成長時間と膜厚を示すグラフである。
【図１２】本発明の変形例に係るＢｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3交互積層膜試料のＸ線回折結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  真空容器
２  排気ダクト
３  基板
４  基板ホルダー
５  Ｂｉソース
６  Ｓｂソース
７  Ｔｅソース
８ａ，８ｂ，８ｃ  Ｋセル
９ａ，９ｂ，９ｃ  るつぼ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  ソース加熱ヒーター
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  シャッター
１２ａ  ＲＨＥＥＤ電子銃
１２ｂ  ＲＨＥＥＤスクリーン
１３  真空度測定手段
２０  分子線エピタキシー装置
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ  分子線
３１，４１  サファイア基板
３２，４２  Ｂｉ2Ｔｅ3単結晶バッファ層
３３  Ｓｂ2Ｔｅ3単結晶
４２  Ｂｉ2Ｔｅ3バッファ層
４３  Bi2Te3単結晶薄膜
４４  Sb2Te3単結晶薄膜
【図１】
0003841272.tif 000002
【図２】
0003841272.tif 000003
【図３】
0003841272.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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