MBE 成長および STM 観察の実験方法

図3.1は試料構造とSTM観察の概略図である．試料の作製および観察はMBE装置とSTM装置の合体 装置[3]を用いて行った．2.2.1で述べたように，この装置はMBEの成長室内にSTM測定ユニットを導入 したもので，MBE 成長しながら STM 観察を行うことが可能である．実験は以下のように進めた．半絶

縁性GaAs(001)基板（ノンドープ，抵抗率2.4×10⁷ ~ 3.3×10⁷ Ωcm）を4つのクリップ（電極）で基板ホ

ルダに固定し，MBE成長室に搬入して Sb照射GaAsバッファ層を形成した．3.3.1では，形成後に基板

温度を200 ℃に設定し，成長室の背圧が10^-10 Torrになったことを確認してから基板ヒータ電源を切った．

これは試料へのAs吸着を抑制するためである．RHEEDパターンを観察し，Sb照射終了時とパターンが 変わっていないことを確認してからSTM 観察を行った．3.3.2では，Sb照射終了後にRHEEDパターン 観察を行い，その後InAs成長をしながらSTM観察を行った．STM観察中はキャリアの生成を促進する ために試料にスポットライトを照射した．

表3.1はMBE成長条件およびSTM観察条件である．基板はAs4分子線下で酸化膜を除去後，基板温度

580℃で200 nmのGaAsバッファ層を成長した．その後，基板温度438 ~ 525 ℃でAsセルのシャッタを

閉じると同時にSbセルのシャッタを開け，Sb照射GaAsバッファ層を形成した．Sb4分子線圧は3.0×10^-9 Torrで，照射量は1原子層(AL)である．単位面積当たりの入射分子数jinと入射分子線圧pの関係式

(3.1)

を用いると，Sbの照射時間tSbは

t

である．ここで，DGaSbはバルクのGaSbの単位面積当たりの原子数，CSbはSbの照射量(単位面積当たり 1 AL分の原子数)，mはSb4の質量，k_Bはボルツマン定数，Tは基板温度である．3.3.1のSb照射GaAs バッファ層の表面におけるSTM観察条件は，探針バイアスを+3 Vまたは-3 V，トンネル電流を0.1 nA，

スキャン速度を250 nm/sとした．また，3.3.2のInAs成長中におけるその場STM観察条件は，探針バイ アスを-2 V，トンネル電流を0.2 nA，スキャン速度を3846 nm/s（500 nm × 500 nmスキャン1枚の所要時 間268 s）とした．InAs成長条件は基板温度460 ℃，InおよびAs4分子線圧はそれぞれ2.9×10^-9 Torr, 6.3×10^-6

Torrである．InAs成長速度は2次元島から3次元島への遷移に伴うRHEED回折パターンのスポット化 までの照射時間と臨界膜厚1.65 ML[1]から見積もり，0.000764 ML/sとした．この超低成長速度はSTM像 1枚に要する時間分の成長量を少なくし，成長過程における表面変化を詳細に観察するためのものである．

本章では，表面荒さの定量化として表面のステップ密度を解析した．ここでのステップ密度は，単位面 積当たりの島の全ステップの長さ（単位はμm^-1）とした．

図3.1 MBE成長およびSTM観察の概略図．

InAs成長終了後のSb照射GaAsバッファ層表面観察(a)，

InAs成長中のその場STM観察(b)．

Sb照射GaAs バッファ層

成長終了し，急冷後のSTM観察(3.3.1)

GaAs(001) Sb₄

急冷

探針

ヒータ加熱

GaAs(001) InAs

2次元成長層

成長中のその場STM観察(3.3.2) In As₄

ヒータ加熱

(a)

(b)

GaAs(001) InAs

3次元島

In As₄

ヒータ加熱 GaAsバッファ層

表3.1 MBE成長条件およびSTM観察条件．

3.3.1 3.3.2 基板温度 (℃) 580 580 膜厚 (nm) 200 200 基板温度 (℃) 438 ~ 525 460 Sb4分子線圧 (Torr) 3.0×10^-9 3.0×10^-9

基板温度 (℃) 460

In分子線圧 (Torr) 2.9×10^-9

As4分子線圧 (Torr) 6.3×10^-6

探針バイアス (V) +3または-3 -2 トンネル電流 (nA) 0.1 0.2 スキャン速度 (nm/s) 250 3846 STM観察条件

GaAsバッファ層

Sb照射

InAs成長