Siベース発光デバイス用材料:β-FeSi2単結晶の作製とホモエピタキシャル成長

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微細化によるSi超々大規模集積回路(ULSI)の高密度化は金属配線の電気信号伝達遅延が大きな問題となるまでに達し、より高速化を進める上で早急に解決すべき障壁となっている。その解決手段の一つとして、電気配線に代わる光接続が提唱されており、β-FeSi_2はSiベースの発光受光デバイス用材料の最有力候補として精力的に研究されている。本研究では、高品質なβ-FeSi_2単結晶の作製および、それを基板としたホモエピタキシャル成長を通じて、β-FeSi_2の物性とデバイス性能の可能性を抽出することを目指す。今年度はロッド状共晶組織の「α相+ε相→β相」包析変態反応を利用したバルクβ-FeSi_2結晶の作製と、薄膜成長技術の確立を目指してSi基板上へのヘテロエピタキシャル成長を試み、下記の知見を得た。1.FeSi_2組成の溶湯を一方向凝固することにより、α相マトリックス中にεロッドが配列した試料を得ることができた。α相とε相はそれぞれ単結晶であり、試料内では同一方位を有していた。2.α相とε相はそれぞれ単結晶であり、α相の凝固方向に垂直な結晶面(横断面)は(100)面であった。一方、ε相では(100)面や(001)面と様々な結晶面が現れたが、試料内では同一方位を有していた。3.このロッド状共晶試料を熱処理することにより得られるβ相は、横断面においては様々な方位を持っており、異方性はなかった。一方、凝固方向に平行な結晶面(縦断面)では、粒界を持たず長く伸びたβ相が確認された。4.熱反応堆積法によりSi(001)基板上へFeを約50nm蒸着したところ、基板温度800℃で高配向性を有するβ-FeSi_2薄膜の成長が確認された。5.その薄膜を熱処理することにより、残留ε相が完全に消失しβ-FeSi_2の配向性が更に向上した。