弾性歪,界面歪拘束系におけるエピタキシャル成長メカニズムの理論的,実験的解析

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Sp^3混成軌道を有しボンドエネルギ-が12eVと大きなZnOの界面での拘束を把握するために,まずエピタキシ-の影響のないガラス基板上で薄膜自身の配向性(SelfーTexture)を評価した。界面での拘束がないために配向する面(基板に対して平行な面)は表面自由エネルギ-の小さい方が有利である,計算によって(0001)に対して0.099ev/A^2,(11_20)に対して0.123eV/A^2,(10_10)に対して0.209eV/A^2となり,平衡状態でエピタキシ-の影響がなければ(0001)が優先配当することになる。実際平衡状態で(0001)が,非平衡状態を制御することによってSelfーTextureを(0001),(11_20),(10_10)と変化させることに成功した。これらの結果をもとに,エピタキシャル方位が[0001]であるが,ミスフィットが18%と大きな(0001)サフアイア基板上でガラス上の(0001)配向膜を得るのと同じ条件で良好なエピタキシャル膜が得られたが,界面の拘束力を成長層の方位分布で緩和する成長モ-ドと格子定数分布で緩和する成長モ-ドの2種類あることを見い出した。一方,(0001)以外の方位を有するZnOエピタキシャル膜を得るにはガラス基板上で(0001)以外の配向を得る条件であることを見い出し,新たに(100)MgO上で(10_10)エピタキシャル膜を得ることに成功した。また,ZnOは(0001)以外の単結晶膜では弾性定数の面内異方性によって成長中の応力緩和機構に異方性が生ずる。これらの界面拘束の異方性を応力の測定によって評価した。結合に方向性がなく強いイオン結合性を有するLiNbO_3は基板からの拘束力を受けやすいためにZnOなどと比べてエピタキシャル成長させることは比較的容易であるが,その方位を変化させるのは容易でない。今回,界面エネルギ-とアニオン/カチオン比を考慮することによって,方位制御を可能にした。