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Si1-xGex混晶半導体の凝固現象に関する研究

高倉 元気 東北大学

2021.03.25

概要

本研究は、Si1-ｘGeｘ混晶半導体を研究対象として、全率固溶型混晶半導体の凝固現象に関する基礎的な理解を深化させるために実施した。

結晶材料は、建造物、輸送機、情報通信機器、集積回路など、身の回りの多くのデバイスに利用されてきた。現在でも、デバイスの高性能化・高機能化を目指して、新たな結晶材料の創製や既存の結晶材料の高品質化の研究が盛んに行われている。結晶材料を作製する手法には、気相成長法、融液成長法、溶液成長法および固相成長法があるが、大容量の結晶材料を作製するためには、融液成長法が最も適している。

現在、LSI や太陽電池など多くの半導体デバイスで利用されている材料は Siの結晶材料であるが、例えば、トランジスタの高性能化や太陽電池の高効率化を目指して Si に第二成分を添加してバンド構造や電子移動度などを制御する試みが多く行われている。Si-Ge 系は全率固溶型状態図を有しており、広い範囲で格子定数やバンドギャップを制御することが可能である。従って、従来、チョクラルスキー法などにより、高品質な大型バルク結晶を作製することに注力されてきた。一方、融液が結晶化する“凝固過程”を直接観察してメカニズムを解明するといった研究がほとんど行われておらず、組織形成や結晶成長メカニズムに関する基礎的知見が不足している。

そこで本研究では、全率固溶型混晶半導体である Si1-ｘGeｘ混晶半導体を研究対象として、1)凝固過程における結晶化メカニズム、2)デンドライト成長メカニズム、および 3)固液界面不安定化メカニズムを明らかにすることを目的として、 “その場”観察実験により各現象を詳細に調べた。

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