「様式３」P-5

Ｘ線イメージセンサーを用いた半導体結晶成長過程
その場観察［１］組織代表者：稲富 裕光（宇宙航空研究開発機構）
対応者：早川 泰弘（静岡大学電子工学研究所）
分担者：
青木 徹
（静岡大学電子工学研究所）
Mukannan Arivanandhan（静岡大学電子工学研究所）
岡野 泰則（大阪大学大学院基礎工学研究科）
小澤 哲夫（静岡理工科大学）［２］研究経過
研究目的・概要：

組成 SiGe バルク結晶を成長させ、熱電特性を調べた。
以下，研究活動状況の概要を記す。研究打ち合わせ・研究討論会を下記の日程で開催した。
(1) 2012 年 4 月 23 日 静岡大学電子工学研究所、岡野先生と研究打ち合わせ(2) 2012 年 6 月 5 日 静岡大学電子工学研究所、岡野先生と研究打ち合わせ(3) 2012 年 7 月 22 日-23 日 静岡大学電子工学研究所、岡野先生と研究打ち合わせ(4) 2012 年 10 月 28 日―11 月 3 日
中華人民共和国桂林市、稲富先生と研究打ち合わせ(5) 2013年1月30日大阪大学大学院基礎工学研究科、岡野先生、稲富先生と研究打ち合わせ［３］成果(3-1) 研究成果
図 1 に測定システムを示す。Ｘ線源はタングステ
ンターゲットを用いており、印加電圧 150 kV、電流100 mA まで制御できる。X 線画像検出器は、0.1 mmの CdTe 素子を縦に 1,510 個、横に 64 個配列した二次元検出器である。試料の X 線透過強度を時間と温度の関数として測定し、Si 溶解過程、SiGe 溶液中の濃度分布変化と SiGe 結晶成長過程を測定した。

InGaSb や SiGe 等の混晶半導体は組成比により、禁制帯幅や格子定数を制御できる。しかし、均一で高品質な混晶半導体バルク単結晶成長のためには(1)結晶成長時における結晶組成と溶液組成の変化、及び(2)溶液の濃度分布と温度分布の揺らぎに起因した成長界面不安定と多結晶化の問題を解決する方法が求められている。任意の組成を有する均一組成の混晶半導体単結晶成長を達成するための根本的な課題は、高温溶液中の熱・溶質輸送過程と結晶溶解・成長との関係を定量的に把握することである。
そのために、Ｘ線イメージセンサーを用いた結晶成長過程の観察は極めて有効な方法である。
本プロジェクトの目的は(1) X 線透過法を用いて、様々な温度条件のもとで高温溶液中の濃度分布測定を行うこと、(2)溶質輸送を考慮した溶液中濃度分布の数値解析により、混晶半導体結晶成長に対する溶質輸送効果を明らかにすること、(3) 均一組成混晶半導体バルク結晶成長技術を確立すること、及び(4)
図 1 X 線透過測定システム。
結晶の組成、不純物濃度、形態を最適化し、熱電特性の向上を図ることである。
図 2 に実験に用いたアンプル形状を示す。Si 種結晶
本年度は、(1) Ｘ線透過法を用いて、Ge 溶液中へ /Ge/Si 供給原料から構成されるサンドイッチ構造試料の Si 溶質の溶解過程と SiGe 結晶成長過程の観察を を窒化ボロン管に入れ、これをさらに石管に入れて真空行い、溶質対流が溶解過程に及ぼす効果を調べた。
封入した。
この試料を電気炉の中に入れ温度制御しなが重力の変数とした数値解析により、溶質対流効果をら、X 線を試料に照射した。温度勾配を 1.16 °C/mm に明らかにした。(2) 熱電素子材料として有望な均一設定した。
図 3 はＸ線透過イメージ像を温度と時間の関数として測定結果である。また、図 4 にＸ線透過強度分布変化を示す。室温のＸ線透過像から Si 種結晶/Ge/Si供給原料の配置を明瞭に観察できる。参照温度が 970˚Cに達すると Ge 結晶が融解し体積が約 5%減少する。これは Ge の液体密度 (5.60 g/cm3) が固体密度 (5.323g/cm3)よりも大きいためである。さらに温度を上昇させると、Si 種結晶が Ge 融液中に溶解し、SiGe 溶液が形成される。本実験から、種結晶側の温度が供給原料側の温度よりも低いにも関わらず、低温側の Si 種結晶の溶解が促進されることが示された。これは、Si の液体密度(2.390 g/cm3) が Ge の液体密度よりも低いため、軽い Si溶質が密度差に起因した溶質対流により上部に輸送され種結晶側の溶液が未飽和になるためである。一方、上部の供給原料近傍では、Si 溶質濃度が高くなるため、供給原料の溶解が抑制される。
以上の結果は結晶の溶解過程に重力が大きな影響を及ぼすことを示している。

図 2 アンプル形状。

図 3 Ｘ線透過イメージ像。
80000
70000

Intensity (cps)

60000
50000

RT
Ge melt at 970°C 9 min1098 °C 63 min
1190°C 67 min 21 sec
1200°C 255 min
800°C
521 min

40000
30000
20000
10000
002468101214Length (mm)

図 4 Ｘ線透過強度分布変化。

16(3-2) 波及効果と発展性など
本研究は、画像科学と結晶成長を融合させた学際研究である点に特色がある。また、熱・溶質輸送効果と結晶界面方位効果を把握し、任意の組成を有する均一組成混晶半導体バルク単結晶成長の手法を実験的、理論的に提案する点に学術的意義がある。本共同研究プロジェクトは、静岡大学、宇宙航空研究開発機構、大阪大学、静岡理工科大学との研究者ネットワークを構築している。本研究は国際宇宙ステーション内の微小重力実験の地上参照実験としても位置づけており、熱・溶質対流や界面方位が混晶半導体バルク単結晶成長に及ぼす効果を把握できると期待される。本研究は InGaSb、SiGe や InGaAs 等の混晶半導体結晶成長にも適用できる一般的な概念の構築を目指している。
［４］成果資料
著書リスト(1) M.Arivanandhan, Y.Inatomi and Y.Hayakawa,“Compositionally homogeneous Si1-xGex andMg2Si1-xGex bulk crystals for thermoelectricapplications”, Transworld Research Network (Editedby A. Gayathri) ,Research Developments in Crystal
Growth (in print).
論文リスト(1) M.Arivanandhan, G.Rajesh, A.Tanaka, T.Ozawa,Y.Okano, Y.Inatomi and Y.Hayakawa , “Bulk growthof InGaSb alloy semiconductor under terrestrial
conditions: A preliminary study for microgravity
experiments at ISS”, Defect and Diffusion Form,
vol.323-325 pp.539-544 (2012).
(2) Y.Takagi, N.Suzuki, Y.Okano, A.Tanaka,
Y.Hayakawa and S.Dost, “Numerical simulation ofthe dissolution process of GaSb into InSb melt undernormal and microgravity conditions”, Transactions of
the Japan Society for Aeronautical and Space
Sciences, Aerospace Technology, Japan , vol. 10,
Ph_1-Ph_7 (2012).
(3) Y.Inatomi, K.Sakata, Y.Hayakawa, A.Tanaka, T.Ozawa,
Y.Okano, T.Ishikawa, M.Takayanagi, S.Yoda andY.Yoshimura, “Current status of alloy semiconductor
crystal growth project under Microgravity”Transactionsof the Japan Society for Aeronautical and Space
Sciences, Aerospace Technology Japan, vol. 10, pp.
Th_1-Th_4 (2012).
(4) D.Mouleeswaran, T.Koyama, A.Tanaka andY.Hayakawa, ”Selective epitaxial growth of GaAs bycurrent controlled liquid phase epitaxy”. J.Cryst.
Growth, vol.362, pp.238-2427 (2013).

(2013.2).
出張報告
氏 名：岡野 泰則
所 属：大阪大学大学院基礎工学研究科
期 間：2012 年 7 月 22 日―7 月 23 日
用務先：静岡大学電子工学研究所
用務内容：研究打ち合わせ
主たる対応者：早川泰弘