Sb 照射 GaAs バッファ層上の高密度 InAs 量子ドットのライプニング過程

図4.2は，GaAsバッファ層上（条件E）(a)およびSb照射GaAsバッファ層上（条件A）（(b) - (e)）

へのInAs量子ドット成長後のAFM像である．InAs成長量2.6 MLにおいて，GaAsバッファ層上

（図4.2(a)）のドット密度は4.4×10¹⁰ cm^-2であるのに対し，Sb照射GaAsバッファ層上（図4.2(c)）

のドット密度は1.5×10¹¹ cm^-2と増加した．また，高密度化したSb照射GaAsバッファ層上のドッ トサイズは，GaAsバッファ層上よりも小さくなり，サイズ不均一性は大きくなった．InAs成長

量が2.1 ML （図4.2(b)）から3.1 ML（図4.2(d)）では，高密度ドットにもかかわらず巨大ドット

はほとんど観察されず，Sb導入によるコアレッセンス抑制効果が確認された．しかし，さらに成 長量を増加させた4.0 ML（図4.2(e)）では，ドットサイズのばらつきは小さくなったが，巨大ド ットの形成が僅かに観察された．

図4.3は，Sb照射量（条件A ~ D）を変化させた場合のInAs量子ドット（コヒーレントドット）

および巨大ドットの密度とInAs成長量の関係である．ここで，コヒーレントドットとは，転位が なく，基板結晶とドット結晶が弾性的に連続した構造であることを指し，比較的にドットサイズ の小さいドットのことである．Sb照射量の最も多い条件Aでは，InAs成長量が約2.1 MLでドッ

ト密度3.1×10¹¹ cm^-2の最大値を示したが，InAs成長量を増加させると，ドット密度は急激に減少

することが分かった．Sb照射量が少なくなると，InAs成長量2 ML付近の最大ドット密度は低下 し[2]，2 ML以降の密度低下の割合も減少した．最も少ないSb照射量の条件Dでは，InAs成長量 が約3 MLまではドット密度は増加し，約3 ML以上では飽和現象を示した．3 ML以上の領域で は，すべてのSb照射量において同様の飽和現象が出現し，その飽和密度は1.3×10¹¹ ~ 1.4×10¹¹ cm^-2 の間になることが分かった．このようにSb導入量の増加によるInAs量子ドットの高密度化は，

2.5 ML付近までの比較的少ないInAs成長量で得られ，InAs成長量を増すとSb照射量に依存せず

ほぼ一定のドット密度に飽和することが分かった．一方，コアレッセンスによる巨大ドットにつ

いては，InAs成長量が約3.1 ML付近から出現し始め，その密度は4.0 ML以降において約8×10⁹ cm^-2

InAs 2.6 ML

(a)

^{GaAsバッファ層上(条件F)}

(b)

2.1 ML

(c)

2.6 ML

(d)

3.1 ML

(e)

4.0 ML Sb照射GaAsバッファ層上(条件A)

図4.2 InAs量子ドットのAFM像．

GaAsバッファ層上のInAs量子ドット（（条件F）2.6 ML）(a)，

Sb照射GaAsバッファ層上のInAs量子ドット．

5 6 7 8 9 10 20 30 40

10 ⁷ 10 ⁸ 10 ⁹ 10 ¹⁰ 10 ¹¹

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

C o he re nt dot dens it y ( × 10 10 cm -2 ) G ian t d o t d en si ty ( cm -2 )

InAs coverage (ML)

Sb照射量

条件A 増加 条件B

条件C

条件D

条件A ■, □ 条件B ●, ○ 条件C ◆, ◇ 条件D ▲, △

図4.3 Sb照射量を変化させた時のInAs量子ドットの

コヒーレントドット密度と巨大ドット密度のInAs成長量依存性．

（条件A（■, □），条件B（●, ○），条件C（◆, ◇），条件D（▲, △））

程度まで増加したが，成長量が2 ~ 3 MLではほとんど観察されず，Sbの導入効果により抑制され た．したがって，Sb照射量が比較的多い場合のコヒーレントドット密度の減少は，巨大ドットの 形成によるものではなく他の要因によるものと考えられる．他の要因については以下で検討を行 う．InAs成長量3 ML以上で見られるコアレッセンス過程については第5章で詳しく検討する．

量子ドットのcoarsening過程におけるドット密度の減少は，コアレッセンス過程の他にライプ ニング過程によっても引き起こされることが考えられる[3,4]．量子ドットのライプニング過程で は，一度形成された比較的サイズの小さいドットが消滅していくが，その際にドットから脱離し た原子・分子が表面拡散し，その近隣の比較的サイズの大きいドットに取り込まれ，さらにサイ ズを増大させる．その結果，ドット密度は減少し，ドットの平均サイズは増大する．一般的な粒 子のライプニング過程では，微小島から脱離した原子・分子の再蒸発による消滅過程は含まれず，

質量は保存される．そこで，本実験における質量保存の関係を調べるために，InAs成長時の基板 温度に対する臨界膜厚の変化からIn原子の再蒸発とIn-Ga相互拡散の関係について検討した．図 4.4は，InAs成長の2次元島から3次元島遷移までの成長時間と基板温度の関係である．臨界膜 厚までの成長時間は，基板温度500 ℃の場合は50 sで，480 ℃の52 sとほぼ同程度であったが，

515 ℃では61 sに急増した．よって，500 ℃よりも高い温度では，In-Ga相互拡散だけでなく，

特にInの再蒸発によって臨界膜厚までの成長時間が長くなったものと考えられる．したがって，

本章の成長温度500 ℃では，Inの再蒸発およびIn-Ga相互拡散の影響はほぼ無視できるものと考 えられ，成長層（島）における質量は保存されているものと見なされる．

次に，InAs量子ドット成長後に成長中断を導入し，原料供給がない状態でのドット構造の変化 について調べた．図4.5(a) – 4.5(c)は，条件Aの各InAs成長量におけるInAs成長中断前後のドッ ト高さ分布とドット密度の関係であり，図4.5(d)は成長中断前後のドット密度変化である．成長 中断前（as grown）の成長量はそれぞれ2.1 ML（図4.5(a)）, 2.4 ML（図4.5(b)）, 3.1 ML（図4.5(c)）

である．成長中断時間はすべての試料で29 sである．成長中断中におけるドット形状変化は

RHEEDシェブロンパターンにより評価した．シェブロンパターンとは，ドット側面に形成された

平坦な微小結晶面（ファセット面）で回折されたストリーク状のパターンのことであり，基板表

図4.4 GaAsバッファ層上のInAs成長における

2次元島から3次元島遷移までの成長時間と基板温度の関係．

45 50 55 60 65 70 75 80

470 480 490 500 510 520 530 G row th tim e f o r 2 -dime n tio n t o 3 -dim en tion tr ans itio n time ( s)

Substrate temperature (

^o

C)

0 1 2 3 4 5 6 7

As grown, InAs 2.4 ML

Growth interruption 29 s, InAs 2.4 ML

QD height (nm) 0

1 2 3

0 2 4 6 8 10 12 14

As grown InAs 3.1 ML

Growth interruption 29 s InAs 3.0 ML

(c) (a)

(b)

0 2 4 6 8 10

Growth interruption 29 s, InAs 2.1 ML As grown InAs 2.1 ML

Coherent dot density (×1010cm-2)

5 6 7 8 109 20 30 40 50

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2

Coherent dot density (×1010 cm-2 )

InAs coverage (ML) Growth interruption 29 s

As grown

(d)

図4.5 InAs成長中断前後におけるドット高さ分布とドット密度の関係（(a) – (c)）および

成長中断前後のドット密度変化(d)（条件A）．

面からのパターンに対して角度を持って斜めに現われ，その角度からファセット面の結晶面方位 を知ることができる．成長中断中はInAs成長量が2.1 ML, 2.4 ML, 3.1 MLのいずれの場合におい ても{136}シェブロンパターンのみが観測された．2.1 ML（図4.5(a)）では，成長中断前のドット 高さ分布のピークは2.5 nmであったが，成長中断後の高さ分布のピークは3.5 nmとなり，サイズ の増大が見られた．このときの成長中断前のドット密度は2.65×10¹¹ cm^-2であったが，成長中断後

は1.01×10¹¹ cm^-2に減少し，その減少割合は62 %であった．したがって，成長中断中において高

さ2.5 nm以下の微小ドットの多くが消滅し，そのとき脱離したIn原子が再び近隣のドットに取り

込まれることにより，高さ3 nm以上のドットが増加したものと考えられる．また成長量が2.4 ML の場合（図4.5(b)）には，成長中断前後のドット密度は，それぞれ2.15×10¹¹ cm^-2と1.42×10¹¹ cm^-2 となり，成長中断によって約34 %のドットが消滅することが分かった．また，そのドット高さは，

成長中断前で3.5 ~ 6 nmのものが多く見られたが，成長中断後は高さ6 nm以上のドットが増加し た．さらに，成長量が3.1 MLの場合（図4.5(c)）には，成長中断前後におけるドット密度の減少

は10 %と抑制され，またドット高さはほとんど変化しなかった．

次に，同じく条件Aの成長中断前後におけるドットの体積変化について調べた．図4.6は，1 cm² 当たりのドットの総体積とInAs成長量の関係である．ドット形状は円錐状とみなし，ラテラルサ イズを円錐の直径とした．AFM像で計測したラテラルサイズは絶対値より大きくなる傾向がある ため，総体積については相対的な比較検討とした．InAs成長量が2.1 ~ 3 MLにおいて，成長量増 加につれて成長中断前のドットの体積は増大したが，成長中断後のドットの体積は，成長中断前 と比較してほとんど変化がなかった．また，前述したように，500 ℃での成長中断過程における 原料の再蒸発による消滅は無視でき，質量は保存されている．さらにドットの総体積も変化がな かったことから，成長中断過程における原子・分子の受け渡しは主にドット間でなされているこ とを意味する．以上より，InAs成長量2.1 MLおよび2.4 MLの成長中断過程におけるドット密度 の減少は，小さいサイズのドットからの原子・分子の離脱によるもので，その原子・分子がサイ ズの大きい比較的安定なドットに再捕獲され，ドットサイズが増大したものと考えられる．つま り，ライプニング過程によって説明することができる．InAs成長量2.1 ~ 3 MLの連続成長におけ

図4.6 1 cm^-2あたりのInAs量子ドットの総体積とInAs成長量の関係（条件A）．

（成長中断前（□），成長中断後（■））

10

¹³

10

¹⁴

10

¹⁵

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2

Total do t v o lum e (nm

3

cm

-2

)

InAs coverage (ML)

Growth interruption 29 s

As grown

るドット密度減少過程（図4.3）について，コアレッセンスの抑制（図4.2(b) - 4.2(d)）と上述した

InAs成長量2.1 MLおよび2.4 MLの成長中断過程におけるライプニング現象の確認から，このInAs

成長過程におけるドット密度減少もライプニング効果によるものと考えられる．ただし，図4.5(c)

に示したInAs成長量3.1 MLでは，多くのドットが安定なサイズに成長し，ライプニング効果が

抑制されていることが分かる．

以上述べたように，ライプニング効果はSb照射GaAsバッファ層上の高密度InAs量子ドット 成長（2.1 ~ 2.4 ML）において観察された．このような高密度ドット成長では，近接したドット間 の下地のバッファ層面内を通した強い弾性歪み相互作用によってドットはエネルギー的に不安定 になり，ライプニングが引き起こされたものと考えられる[5]．高密度量子ドットのcoarsening過 程におけるドットのエネルギーおよび面内の弾性歪み相互作用[5]については付録で説明した．そ こで，Sb照射GaAsバッファ層上の高密度InAs量子ドット成長における面内の弾性歪み相互作用 を調べるために，InAs量子ドット成長がGaAsバッファ層に及ぼす面内歪みについて検討した．

図4.7は，GaAsバッファ層上のInAs量子ドットの高分解能の断面透過型電子顕微鏡(TEM)像(a) とそのTEM像の高速フーリエ変換(FFT)マッピング像（面内方向の相対格子間隔(b)，そして高さ 方向の相対格子間隔(c)）である．InAs量子ドットの格子定数は面内方向においてドット上部ほど 大きく，ドット側面と基板との界面では面内方向と高さ方向のどちらも格子定数の伸びは小さく，

圧縮歪みが大きくなっている．また，ドット直下におけるGaAs層の面内方向の格子定数は，ド ットが形成されていない部分のGaAs層よりも格子定数の伸びが観察され，歪まされていること が分かる．したがって，ドットが隣接した高密度ドットの場合には，下地GaAsバッファ層を介 した面内歪みの影響を生じることが予想される．そこで，GaAsバッファ層およびSb照射GaAs バッファ層上のInAs量子ドットに掛かる歪みエネルギー分布の計算を行った．

本計算は，GaAsおよびGaAsSb/GaAsバッファ層上のInAs成長層の2次元モデルで，次式に示 すように，分子（GaAs，GaSbおよびInAs）のポテンシャルエネルギーE_totalを分子間のバネ結合 による歪みエネルギーEsと結合エネルギーEbondを用いて計算した．

∑ ∑ .

^(4.1)

ドキュメント内 InAs 量子ドットの自己形成における Sb 導入効果 (ページ 67-80)