III-V族混晶の微視的構造と異相接合による構造不安定性の解明

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混晶デバイス開発の基礎として材料科学的見地から【◯!1】混晶の構造と相分解機構の解明、【◯!2】異相界面の構造と特異性の解明、【◯!3】異相多層構造材の力学的性質の解明を目的として本研究を実施する。本年度はとくに上記【◯!2】の点を重点的に明らかにしてきた。AlAs/GaAs超格子の構造解析を行うためX線回折の解析手順を詳しく検討し、まず解析の方法論を確立した。本実験で用いた試料は一周期が2nmであり、その中には平均して【III】族原子面が7層存在する。一方AlとGaの組成比が1対1であるため、界面においてAlとGaの混合が起ることが予測された。そこで構造因子としてAlが3原子層、Gaが4原子層から成るものをFn,逆の場合を【F_A】と表現し、さらに界面でのぼやけをXとして、全体を構成した。この構造因子を用いて実験値を解析したところ、X=0.15のとき回折強度全体をよく説明できること、さらに計算機シュミレーションで求めた超格子構造と一致した。以上の解析を通してX線回折による超格子構造の解析手法の一般的方法を見出した。超格子構造は本来熱力学的に不安定であり、熱活性化過程で容易に熱平衡の均質な構造に戻ろうとする。種々の温度で熱処理したときの超格子構造の分解過程を上記のX線回折法で実験的に調べた。ある一定時間各温度で熱処理すると773K1.2ksのような条件でもすでに検出し得るほどの分解が生ずる。高温ほど分解の程度は強くなるが、1210Kの温度では10sの熱処理によっても完全に超格子構造は分解する。ある一定温度で熱処理したとき最初急激に分解が進行し、ある時間以上ではその分解速度が低くなるという、分解過程には2種類の機構があることが明らかとなった。この分解過程を理論的に調べるため、拡散方程式を数値計算により解き、異相界面における組成の時間的変化を明らかにした。