尾関グループ

表面反応動的計測と制御手法・制御技術
尾関　雅志

　当研究グループでは、走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)による原子操作といった機械的方法を必ずしも用いないで、基盤結晶表面と原料分子との化学反応により原子サイズの構造を基板表面上に構築または結晶中に埋め込むための基礎技術開発を研究の主目標に置く。この技術は、分子線エピタキシー(MBE)や化学的気相堆積法(CVD)さらにはALEといった従来の結晶成長法の延長上の技術であるともいえる。しかしながら、その研究開発は従来成長技術でなされてきたものより格段に難しく、超えなければならないいくつかの高いハードルがある。新技術開発のためには、原料分子（または原料イオン）と成長中の結晶表面でおこる表面反応過程にたいする基礎知識が従来にもまして重要になる。原子単位の構造創成技術につながる表面反応過程の動的側面を明らかにするとともに、原料分子と結晶表面原子の間の励起状態をも含む新しい反応経路を発見することが本研究グループ最大のテーマである。

■成果
　GaAsとGaN等のIII-V族結晶にたいし 1)原料分子と結晶表面の反応過程の動的制御、2)反応表面状態および結晶表面構造の計測を目標として研究を進め以下の成果を得た。

1. 新しく開発したダブル超音速ビーム反応装置を用いてGaAs結晶の成長に成功した。
2. 砒素原料に有機金属分子(CH3)3CAsH2用いることにより、これまでガスソース分子線エピタキシー法等で必要であった原料セルでの砒素原料のサーマルクラッキングなしに良好なGaAs結晶の成長に初めて成功した。
3. ダブル超音速ビーム反応装置を用いて成長に伴う反応過程の計測を行い、その成長メカニズムを明らかにした。
4. 成長反応の動的過程解析に用いるGa原料分子GaClの発生技術を開発した。
5. 窒化物結晶成長用窒素ラジカル源としてECR型及びRF型ラジカル源を取り上げ、窒素励起種の定量的解析を発光分析、レーザ誘起蛍光法LIF、イオンカウント等の分子分光的手法で行った。励起種寿命の点でリモートプラズマを用いる結晶成長では最低励起状態しか表面に到達しないこと、励起種の発生量は放電パワーに比例しないこと、イオン励起種・中性励起種・原子状励起種の比率はパワー、ガス流量に依存し、またラジカル源の方式でも異なることがわかった。
6. 前年度に設計導入した分子線散乱装置の基本特性を測定し、パルス幅、ビーム経等の基本性能が設計通りであることを確認した。分子線源を窒素励起種とするため、電子線励起装置を付加し、GaAs基板に照射して、窒化反応を確認した。また、Gaで覆われたSI(111)洗浄表面の窒化反応のSTMによる観察を行った。
7. 窒化物結晶成長in-situモニタリングのための電子ビームエピタキシャル結晶成長観察装置の設計導入を行った。

図１　ダブル超音速ビームエピタキシ反応システム

図２　GaAs膜成長速度の成長温度依存性。活性化エネルギー11.8kcal/molは、本研究で提案された成長モデルから得られる計算値と良い一致を示す。

図３　rf窒素プラズマ源からの発光のパワー依存性