電子ビーム励起直接選択エピタキシャル成長による量子構造形成方法の研究

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本研究では半導体ナノ構造を形成しその三次元的な直接制御を行うために、我々の研究室で見出した電子ビーム照射を用いた選択成長法による、サファイア上へのSiナノ構造の形成技術を確立させることを目的として研究を行った。基板にはサファイアR面を用いた。電子ビーム描画装置により基板表面に極微細パターン電子ビーム照射を行った後、Si_2H_6ガスソースMBEにより成長温度750℃、Si_2H_6流量0.5sccmにおいてSiの成長を行った。AFM、SEMによる観察結果から、幅250nm、高さ30nmの一様な細線が、また直径250nm、高さ30nmのドット構造が得られたことがわかった。また、本方法により形成される微細構造の形状は電子ビーム照射量に大きな影響を受けるが、適当な照射量においては微細構造の形状や位置を非常に制御性良く形成できることがわかった。しかしながら、AFMによる高さ方向のラインプロファイルからナノ構造間で高さのばらつきが存在することがわかった。この高さのばらつきは基板表面自体の凹凸に起因していると思われる。そこで、このばらつきを抑制すること、また更なる微細化、形状の制御性の向上という点から、基板として原子レベルで平坦なサファイア基板を用いることを検討した。この超平坦基板を用いて、従来の基板と同様の条件においてSiナノ構造の形成を試みた。その結果、成長膜は著しい三次元成長を示していた。これは超平坦基板の表面エネルギーが小さく、また成長サイトも少ないことが原因の一つとして考えられる。一方、電子ビーム照射による選択成長への効果は、従来の基板同様に超平坦基板においても確認された。しかし、従来の照射条件では完全な選択性を得るには不十分であることがわかった。今後は更なる微細化を目指すとともに、超平坦サファイア基板上でのSi成長条件、電子ビーム照射条件の最適化が必要である。