(substrate) ---
(a) Before epitaxial growth
E = GA + GAB
6A
Crystal AG
AB Crystal B
(b) After epitaxial growth
Surface and interface energy in epitaxial growth
し て 微 結 晶 を 形 成 す る た め,結 果 的 にVW型 エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 す な わ ち3次 元 核 成 長 が 生 じ る.他 方,(3.3)式 の 場 合 に は,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 後 の 表 面 お よ び 界 面 エ ネ ル ギ が 下 地 基 板 の 表 面 エ ネ ル ギ よ り も 小 さ い た め,下 地 基 板 を で き る だ け 被 覆 す る よ う に エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 が 進 行 す る た め,結 果 的 にFM型 エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 と な る.
こ れ ら の 後 藤 ら の 解 析 結 果 を ホ モ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に 適 用 す る と,ホ モ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 で は σ、=σ 、=σ で あ り,か つ 界 面 の エ ネ ル ギ は 分 子 結 合 エ ネ ル ギ で あ る た め σ、B≦0と な る.こ れ ら の こ と か ら,(3.3)式 の み が 成 立 す る た め,結 果 的 に ホ モ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 場 合 に はFM成 長 に な る も の と 考 え ら れ る.た だ し,基 板 表 面 を 特 定 の 分 子 層 で 覆 わ れ る と 表 面 状 態 が 変 化 す る た め,ホ モ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 場 合 で も(3.2)式 が 成 立 す る.例 え ば,S(硫 黄)で 被 覆 さ れ た(001)GaAs表 面 で はGaAsが VW型 成 長 す る こ と が 明 ら か に さ れ て お り,こ れ を 利 用 し て 自 己 量 子 ド ッ ト の 形 成 が 行 わ れ て い る117)1川22).こ の よ う な 表 面 状 態 を 変 え る 被 膜 は サ ー フ ァ ク タ ン ト と 呼 ば れ て い る5!卜「6)'79}ロ̀〕).
以 上 の こ と か ら 本 実 験 に お い て は,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 前 の(oo1)Si基 板 表 面 が 何 ら か の 不 純 物 で 汚 染 さ れ て お り,そ の 不 純 物 層 が(3.2)式 を 成 立 す る 表 面 状 態 を 創 成 し た も の と 考 え ら れ る.す な わ ち,不 純 物 層 が サ ー フ ァ ク タ ン ト と し て 働 き,結 果 的 にFM成 長(3次 元 核 成 長)が エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 初 期 過 程 で 生 じ た と 考 え ら れ る.
基 板 表 面 の 汚 染 を 検 証 す る た め に,オ ー ジ ェ 電 子 分 光 法 に よ っ て エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 か ら 下 地 のSi基 板 ま で 深 さ 方 向 に 組 成 分 析 し た が,特 定 の 不 純 物 元 素 を 検 出 す る こ と は で き な か っ た.し か し,ウ ェ ッ ト洗 浄 法 で 付 着 し や す く,か つ サ ー マ ル ク リ ー ニ ン グ 等 で の 除 去 が 困 難 で あ る こ と か ら,基 板 表 面 を 汚 染 し て い る 不 純 物 は 炭 素 化 合 物 で あ る と 推 測 さ れ る161).ま た,基 板 温 度600℃ お よ び700℃ の 成 長 面(図3.5(b), (c))に お い て,明 り ょ う な3次 元 核 形 状 が 観 察 さ れ な か っ た の は,そ れ ら の 基 板 温 度 に お け る 核 発 生 密 度 に 起 因 し て い る と 考 え ら れ る.こ の こ と は,後 述 の(2)で 詳 細 に 述 べ る.し た が っ て 本 論 文 で は,本 実 験 の 基 板 面 条 件 に 基 づ い た 面 創 成 過 程 と し て, (001)基 板 に お け る3次 元 核 成 長 に 関 し て 考 察 を 進 め る.
(2)3次 元核 成長 に よ る初 期 の 面創 成 過 程
3次 元 核 成長 とは2次 元 核 が 基 板 面 に 対 して 垂 直 方 向 に積 層 され る こ とで進 行 す る エ ピタ キ シ ャル 成 長 で あ る.2次 元 核 は 平 坦 な テ ラ ス 上 で 付 着 分 子 が凝 集 す る こ とで 形 成 され るが,核 形 成 が 生 じる要 因 は 主 に 表 面 拡 散 して い る分 子 同 士 の 衝 突 と特 定 の 不 純 物 分 子 が 起 点 とな る場 合 に分 類 され る.こ の と き,核 発 生 密 度 は 両 者 で異 な っ て お り,前 者 の場 合 に は 単 位 面 積 あ た りの付 着 分 子 密 度 に,そ して 後 者 の 場 合 に は単 位 面 積 あ た りの 不 純 物 分 子 濃 度 に そ れ ぞ れ 比 例 す る と考 え られ る.図3.5お よび3.10な ど
の 実 験 結 果 に よ れ ば,基 板 温 度 な らび に 分 子 線 入 射 量 の 大 小 に よ っ て
,核 発 生 密 度 が 変 化 して い る こ とか ら,初 期 の2次 元 核 発 生 機 構 は 分 子 同 士 の衝 突 に よ る もの と考 え
られ る・ 以 上 の こ とか ら・前 述(1)で 示 した(001)基 板 表 面 を覆 っ て い る不 純 物 層 は , 付 着 分 子 同 士 の衝 突 を促 進 させ るサ ー フ ァ ク タ ン トと して働 い て い る と考 え られ る.
上 述 の 核 形 成 原 因 を考 慮 す る と,(001)基 板 上 で の3次 元 核 成 長 の 初 期 過 程 は ,図 57
3.15の よ うに模 式 的 に表 す こ とが で き る.は じ め に 数 個 のSi原 子 が 衝 突 して2次 元 核 を形 成 し((a)),そ の2次 元 核 が 基 板 面 に 対 して 水 平 方 向 に 成 長 す る こ と で,核 上 面 の テ ラ ス が さ らに 拡 張 され る((b)).拡 張 され た テ ラ ス に 飛 来 した 分 子,そ して 下 段 の テ ラ ス に飛 来 し,核 の周 囲 の ス テ ップ で 捕 捉 され ず に 核 上 面 の テ ラス ま で 到 達 で き た付 着 分 子 に よ っ て,(a)と 同様 に新 た に2次 元核 が 形 成 され る((c)).こ の 核 形 成 は(a)で 形 成 され た2次 元 核 の 垂 直 方 向 の 成 長 とみ なせ る.分 子 が 固 体 内 部 を拡 散 す る た め の 活 性 化 エ ネ ル ギ は 高 い た め,埋 没 した 不 純 物 分 子 は エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 層 に ほ とん ど析 出 され な い と考 え られ る.こ の 考 え 方 に 基 づ け ば,は じめ に 形 成 され た2次 元 核 上 面 の テ ラ ス に お け る 新 た な2次 元 核 形 成 は 清 浄 なSi表 面 で 生 じた も の と考 え ら れ る.す な わ ち,も との 基 板 表 面 を覆 っ て い た 不 純 物 層 は,エ ビ タ キ シ ャル 成 長 層 に よ っ て被 覆 され た に も拘 わ らず,エ ピ タ キ シ ャル 成 長 面 上 の 付 着 分 子 に 対 して な お 影 響 を 及 ぼ して い る と考 え られ る.し た が っ て,(3.3)式 に お け る 界 面 エ ネ ル ギ σ。Bが σ,よ りも 十 分 に 大 き い た め に,さ らな る2次 元 核 形 成 が 導 か れ た もの と考 え られ る.
した が っ て,界 面 エ ネ ル ギ(歪 エ ネ ル ギ)が エ ピ タキ シ ャ ル 成 長 モ ー ドに 影 響 を 及 ぼ す 限 りは,(c)の 過 程 が繰 り返 され て3次 元 核 が 形 成 され る もの と考 え られ る((d)).
3次 元 核 成 長 が さ らに進 む と,図3.16に 示 す よ うな 核 同 士 の 融 合 が 生 じる.上 述 の よ うに,3次 元 核 は2次 元 核 で あ る島 状 テ ラ ス の積 層 構 造 で あ り,各 層 の ス テ ップ 部 で 付 着 分 子 が 捕 捉 ・結 晶 化 され る こ と で,核 は 基 板 面 に 対 して 水 平 方 向 に 成 長 す る ((a)).第n層 の 面 積 をS,と した と き に 必 ずS。>S,‑1が 成 立 し,オ ー バ ー ハ ン グ した 形 状 が創 成 され な い と仮 定 す れ ば,各 層 が エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 す る に つ れ て最 下層 か ら 順 に 融 合 され る((b)).こ の よ うな 融 合 過 程 が 繰 り返 され る こ と で核 は 山 脈 上 に 連 な り((c)),か つ 基 板 面上 で 多 数 の核 が 融 合 され れ ば網 状 構 造 が 形 成 され る.す な わ ち,基 板 温 度750℃ お よび850℃ の エ ピ タ キ シ ャル 成 長 面 を 覆 っ て い る 隆 起 は,核 の 融 合 に よ っ て形 成 され た3次 元 核 形 状 で あ る と考 え られ る.
これ らの こ とか ら,(001)基 板 に お け る 面 創 成 に お い て,エ ピ タ キ シ ャル 成 長 面 全 体 の 幾 何 的 特 徴 は,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 条 件 に 基 づ い て設 定 され る核 の発 生 密 度 と核 の 融 合 段 階 に起 因 して い る と考 え られ る.
(3)基 板 温 度 な ら び に 分 子 線 入 射 量 が 核 の 発 生 密 度 と 融 合 段 階 に 及 ぼ す 影 響
前 述 の(2)で 示 し た よ う に(001)に お け る2次 元 核 形 成 は 付 着 分 子 同 士 の 衝 突 に よ る も の と 考 え ら れ,か っ 付 着 分 子 の 衝 突 確 率 は 基 板 表 面 で の 付 着 分 子 密 度 に 依 存 し て い る と 考 え ら れ る.図3.10(b)で 示 し た よ う に,分 子 線 入 射 量5.OxlO14atoms/(s℃m2)で
成 長 さ せ た 表 面 で は,1.0×10̀'iatoms/(s・cm̀)で 成 長 さ せ た 表 面(図3.10(a))に 比 べ て,核 の 融 合 が 進 ん で お り,初 期 の 核 発 生 密 度 が よ り 高 い こ と が 示 唆 さ れ て い る 。 し た が っ て,分 子 線 入 射 量 の 増 加 に と も な っ て 付 着 分 子 密 度 が 高 く な り,結 果 的 に 核 の 発 生 密 度 が 高 く な っ た も の と 考 え ら れ る.と こ ろ が,図3.5で 示 し たAFM観 察 像 か ら 基 板 温 度750〜850℃ の 場 合 の 核 発 生 密 度 を 測 定 す る と,図3.17に 示 す よ う な 結 果 が 得 ら れ た.す な わ ち,核 の 発 生 密 度 が 基 板 温 度 に も 依 存 し て こ と を 示 唆 し て い る.こ れ ら の 結 果 か ら,分 子 線 入 射 量 が 一 定 で あ っ て も 付 着 分 子 密 度 は 基 板 温 度 に よ っ て 異
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