九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書 (ＰＦ協力利用)
課題番号： 1105039PF

PF 受 理 番 号 ： 2010G672（様式第２号）

GaAs/Si ナ ノ ワ イ ヤ ー 結 晶 の ひ ず み 緩 和 機 構 の 研 究
Strain relaxation of GaAs nanowire crystals on Si wafer
水野薫，岡本博之 1

Kaoru Mizuno, Hiroyuki Okamoto 1
島根大学総合理工学部，金沢大学医薬保健領域 1

Faculty of Science and Engineering, Shimane University
School of Medicine, Kanazawa University 1
１．概要
Si 基 板 上 に GaAs ナ ノ ワ イ ヤ ー を 密 生 さ せ ， さ ら に 横 方 向 に 成 長 さ せ 薄 膜 化 さ せ た
ヘテロエピタキシャル半導体薄膜の界面における歪み緩和機構を X 線トポグラフィで調 べ た 。 不 整 合 転 位 の 発 生 す る 臨 界 膜 厚 (4nm)よ り も GaAs 膜 (約 1μm)は 厚 い に も か かわらず，転位線は写っていなかった。しかし，拡大した写真にナノワイヤー結晶が基板
か ら 成 長 し て い る 場 所 が 写 っ て い た 。さ ら に 逆 格 子 マ ッ プ の 測 定 結 果 は 薄 膜 の 垂 直 方 向の 格 子 定 数 が 変 化 し て い る こ と を 示 し て い た 。す な わ ち 歪 は 基 板 か ら ナ ノ ワ イ ヤ ー の 生
えている場所で弾性的に緩和されていると考えられる。
（ English ）Strain relaxation mechanism in GaAs/Si hetero -epitaxial thin film grown from nano -wirecrystals was investigated by X -ray topography and measurement of reciprocal map.

Althoughthe thickness of thin film (~1μm) exceeds the critical thickness of generation of
misfit-dislocations (4nm), we could not observe the misfit -dislocations in the specimen. The
reciprocal map showed vertical expansion of lattice constant in the thin film. Therefore, elasticstrain relaxation was occurred at the growth place of nano -wire on the Si wafer.

２．背景と研究目的：
ヘテロエピタキシャル半導体薄膜は基板と薄膜の物質が異なるにも関わらず，同じ方位を有する。
そのため，格子定数の違いによる歪みの発生が避けられない。膜厚が薄いうちは弾性的な変形により，歪みの緩和が行われるが，ある厚さを越えると塑性変形を起こして緩和する。その時に導入される転位が不整合転位であり，はじめて不整合転位の発生する厚さが臨界膜厚とよばれている。この転位はデバイスの性能を悪化させたり寿命を短くすることが知られている。そのため，バッファー層を基板と薄膜の間に挟むなど，不整合転位を発生させない工夫が試みられている。他の方法として基板上に針状のナノ結晶を基板上に多数成長させたのち，成長温度を変化させて主として結晶の上部を太らせて隣接する結晶同士を合体させ，薄膜を成長させる方法が提案されている。[1]この薄膜結晶は基板と針状のナノ結晶で結合しているため，通常のヘテロエピタキシャル半導体薄膜とは異なる歪み緩和が生じていると期待できる。そのため，不整合転位が存在しない可能性もあり，もしそのような薄膜結晶であるならば，不整合転位により引き起こされる弊害を取り除くことが可能である。
そこで本研究では臨界膜厚よりも厚い薄膜結晶の表面反射トポグラフを撮影することにより，歪み緩和の結果として生じる格子欠陥を観察する。さらに観察された格子欠陥の同定を行うため，異なる回折面によるトポグラフを撮影する。このことにより格子欠陥の歪み場を決定し，最終的には格子欠陥の種類を明らかにする。以上の研究によりナノ結晶より成長したヘテロエピタキシャル半導体薄膜の歪み緩和機構を明らかにすることを目的とする。

３．実験内容（試料、実験方法の説明）① 無 転 位 Si (111)基 板 上 に MOVPE 法 に よ り GaAs ナ ノ ワ イ ヤ ー 結 晶 を 多 数 成 長させる。その後成長温度を下げ，径方向に成長させナノワイヤー同士を合体させ単結晶薄膜試料とした。この試料はイタリアの国立結晶学研究所(IMM-CNR) の Paola Prete 博 士 ら に 作 製 ・ 提 供 し て い た だ い た 。
② 下 図 の よ う に (111)GaAs/Si 試 料 ， 検 出 器 を 配 置 し ， (044)を 回 折 面 と し て 波
長 9.990 keV の 単 色 Ｘ 線 を 用 い て Si 基 板 結 晶 か ら の 回 折 線 を 検 出 し て X 線
ト ポ グ ラ フ を 撮 影 し た 。 そ の 後 ， GaAs か ら の 回 折 線 を 検 出 し て ， こ の 条 件
で も ト ポ グ ラ フ の 撮 影 を 行 っ た 。こ の 場 合 Ｘ 線 と 試 料 表 面 の な す 角（ 入 射 角 ）は 約 6°な の で ，Ｘ 線 は 数 百 μm ま で 侵 入 し て い る 。な お ，本 実 験 のトポグラフの撮 影 には分 解 能 の高 い画 像 を得 るために，原 子 核 乾 板 を用 いた。
検出器(PIN ダイオード，フラットパネルデテクター，CCD カメラ)

原子核乾板

単色Ｘ線入射角(111)GaAs/Si 試料③ 次 に同 じ条 件 で PIN ダイオードを用 いて，逆 格 子 マップの測 定 を行 った。測 定 に際 して，試 料 とモノクロメーターの間 に設 置 したスリットによりビームの上 下 幅 を 50μm ま で絞 った。この測 定 は KEK-PF の精 密 回 折 実 験 ステーション(BL-15C)で実 施 した。

４．実験結果と考察
図１に9.990 keVの単色Ｘ線を用いて(440)を回折面として測定したロッキングを示す。この図にはSi基板からのシャープで高い回折ピークとGaAs薄膜によるブロードで弱いピークがみられた。このうち基板(Si)の回折ピークで撮影されたトポグラフを図２(a), (b)に示す。試料が反っているため，回折角をわずかにずらして4または5回に分けて２枚のトポグラフを撮影した。この２枚を合成した写真を図２(c)に示す。また，同じエネルギーで薄膜(GaAs)の回折ピークで撮影したトポグラフを図３に示す。
これらの写真に局所的に回折条件を満たさず，白く抜けている微少領域は観察されない。このことは
GaAs薄膜が単結晶として基板の上に成長していることを示している。図２，３に示す写真には転位線は見られなかった。つまり臨界の膜厚(4 nm)を大幅に越えた膜厚(約1μm)を有する薄膜試料にもかかわらず不整合転位は観察されなかった。そこで写真を拡大して観察した。図４(a)に拡大した写真を示す。拡大すると多数の斑点が観察できた。この斑点の大きさは原子核乾板の乳剤粒子の大きさよりも，数倍から数十倍大きい。写真乳剤の粒子の写真を図４(b)に示す。このことから乾板に見られた斑点は基板から生えているナノワイヤー結晶の基部である可能性がある。

(a)

(b)
図１(c)
図２(a)
図３(b)
図４

次に同じはエネルギーのＸ線と回折面を用いて測定した逆格子マップの結果を図 5 に示す。図 5(a)は図 1 に示すロッキングカーブの Si の回折ピークで，5(b)は GaAs の回折ピークで測定した結果である。逆格子マップの測定はωおよび 2θ軸を回転して測定するため，結果は通常ωと 2θのグラフであるが，図 5 では座標軸を変換して試料表面に平行な軸 qy と垂直な軸 qh で回折ピークの断面を表している。そのため，グラフ上での広がりは格子定数の分布を示している。この図から，GaAs 薄膜の格子定数の広がりは水平方向では Si 基板と同程度であるが，垂直方向は 10 倍程度広がっていることが分かる。以上の結果から，ナノワイヤーから成長した GaAs 薄膜の歪み緩和は不整合転位を発生させるのではなく，Si 基板からナノワイヤーが生えているところで弾性的に緩和していると考えられる。

(a)

(b)
図５５．今後の課題：
現在撮影した回折面は(440)面だけである。そのため，転位のバーガースベクトルと回折ベクトルの位置関係によっては転位像が消える場合もある。そこで，他の{440}系の回折面でトポグラフを撮影して，間違えなく転位は存在していないことを確かめる必要がある。さらに微少角入射条件でトポグラフを撮影して，薄膜内に他の格子欠陥が存在していないことを確認する必要がある。また，他の方位を有する試料でもこの緩和機構が働いているか否かを確認する必要もある。

６．論文発表状況・特許状況なし

７．参考文献[1] Paola Prete and Nicola Lovergine： Nanowires (InTech, New York, 2010) pp51.

８．キーワード（試料及び実験方法を特定する用語を２～３）・ヘテロエピタキシャル半導体薄膜
半導体基板の方位を引き継いで異なる半導体で成長させた薄膜のこと。格子定数が基板と薄膜で異なるため，界面には必ず歪みが存在する。
・Ｘ線トポグラフィ
格子欠陥等による回折強度の差をそのまま結晶外に取り出し画像化するイメージング法。平行性の非常に高い放射光Ｘ線を用いると個々の回折スポットがそのままでトポグラフになっている。