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

硅基发光器件材料：β-FeSi2单晶的制备与同质外延生长

• 批准号: 17656108
• 负责人: 藤原 康文
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17656108/
• 关键词: β-FeSi_2; Si発光デバイス; 単結晶; エピタキシャル成長; 発光機能

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。

The high density of ultra-fine Si LSI (ULSI) and the delay of electrical signal transmission of metal wiring are the main problems to be solved urgently. A solution to this problem is to study the optical interface between Si and β-FeSi_2, which is the most powerful candidate for Si light-emitting and light-receiving materials. This study is aimed at extracting the possibility of high quality β-FeSi_2 single crystal fabrication, substrate growth, and physical properties of β-FeSi_2. This year's "α + ε →β" phase transformation of the eutectic structure is used to prepare β-FeSi_2 crystals and establish thin film growth technology. The test and observation of the growth on Si substrates are described below. 1. FeSi_2 composition solution is solidified in one direction.α phase ε phase 2.α-phase and ε-phase are opposite to each other. The solidification direction of α-phase is perpendicular to the crystal plane (cross section) and opposite to the (100) plane. A square, ε phase, opposite (100) plane, opposite (001) plane, opposite crystal plane, opposite to the same orientation in the sample. 3. The heat treatment of the eutectic sample results in the formation of β-phase, cross-section and orientation. A side, solidification direction, parallel crystal plane (cross section), grain boundary, length, and beta phase are confirmed. 4. The growth of β-FeSi_2 thin films with high anisotropy on Si(001) substrates at 800℃ was confirmed by thermal reaction deposition method. 5. After heat treatment, the residual ε phase disappears completely and the orientation of β-FeSi_2 increases.

项目成果

Growth of bulk β-FeSi_2 crystals by annealing of well aligned solidification structures

通过良好排列的凝固结构退火生长块状 β-FeSi_2 晶体

• 发表时间: 2006
• 期刊: Physica B 376-377
• 作者: 吉田祐一;石井徹;太田昭男;小林大輔;鍵谷幸生;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;元木 純平;伊藤之一;Junpei Motoki;元木 純平;滝川 浩史;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;A.Mishina
• 通讯作者: A.Mishina

Nondestructive investigation of β-FeSi_2/Si interface by photoluminescence measurements

光致发光无损研究 β-FeSi_2/Si 界面

• 发表时间: 2006
• 作者: Y. Terai;Y. Maeda;and Y. Fujiwara
• 通讯作者: and Y. Fujiwara

Photoluminescence properties of ion-beam-synthesized β-FeSi_2/Si interface

离子束合成β-FeSi_2/Si界面的光致发光特性

• 发表时间: 2006
• 期刊: Proceedings of 2006 International Workshop on Sustainable Energy and Materials September 5, 2006, Meiji University, Tokyo, Japan Track 3
• 作者: 吉田祐一;石井徹;太田昭男;小林大輔;鍵谷幸生;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;元木 純平;伊藤之一;Junpei Motoki;元木 純平;滝川 浩史;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;A.Mishina;Y.Terai;Y.Terai
• 通讯作者: Y.Terai

Photoluminescence enhancement of β-FeSi_2 by optimizing Al doping concentration

优化Al掺杂浓度增强β-FeSi_2的光致发光

• 发表时间: 2006
• 期刊: Physica B 376-377
• 作者: 吉田祐一;石井徹;太田昭男;小林大輔;鍵谷幸生;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;元木 純平;伊藤之一;Junpei Motoki;元木 純平;滝川 浩史;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;A.Mishina;Y.Terai
• 通讯作者: Y.Terai

Growth of bulk β-FeSi_2 by peritectoid reaction of faceted ε-FeSi and α-Fe_2Si_5 single crystals

多面ε-FeSi和α-Fe_2Si_5单晶的包晶反应生长块体β-FeSi_2

• 发表时间: 2006
• 期刊: Extended abstract of Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides Science and Technology Towards Sustainable Optoelectronics 2006
• 作者: 吉田祐一;石井徹;太田昭男;小林大輔;鍵谷幸生;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;元木 純平;伊藤之一;Junpei Motoki;元木 純平;滝川 浩史;志岐 肇;元木 純平;志岐 肇;A.Mishina;Y.Terai;Y.Terai;Y.Terai
• 通讯作者: Y.Terai