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Selective growth of InGaSb and InGaAs pyramidal epilayers on ?-V substrates by liquid phase epitaxy

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Academic year: 2021

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Selective growth of InGaSb and InGaAs pyramidal epilayers on ?‑V substrates by liquid phase epitaxy

著者 Zhang Cuoqiang

journal or

publication title

静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 27

page range 114‑118

year 2006‑03‑11

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1188

(2)

氏名 。

(本

籍 )  章       国    強 (中 国 ) 学 位 の 種 類    博      (工  学 )

学 位 記 番 号    工博 甲第   258   号 学位授与の日付    平成 16年 9月 30日 学位授与の要件    学位 規程 第 5条 第 1項 該 当 研究科・ 専攻の名称    電子科学研 究科   電子材料 科学

学位論文題目    Sdective growth ofhGaSb and hGaAs pyramidalepnayers

on  Ш‐ V substrates by  Ⅱ qdd phase epi的

(液 相成長法 による Ⅲ¨ V族 基板上への hGaSb及 び hGaAs

ピラ ミッ ト選択成長 )

論文審査委員

(哀

員 長 )藤

安   洋   教 授 天 明 二 郎 助教授   田   中     昭    教 授   早     泰   弘

論 文 内 容 の 要 旨

The concept of thermo-photo voltaic (TPV) energy conversion was frst proposed in 1960 and tremendous studies have been made in the past decades due to its many advantages when compared to the existing technolo- gies. The heart of the TPV system is photovoltaic (PV) cell. For the fabrication of the PV cell in the near ffiared

region, In Gar-rAs and In Gal-rSb ternary alloys have been found to be potential candidates. In order to achieve high conversion efficiency of the PV cell, there are mainly two methods: (i) fabrication of high quality single crystalline In Gal-rAs and In Gal-rSb epilayers, and (ii) designing special surface texture, which can enhance the optical absorption and subsequently the improvement of the efficiency. Current growth techniques such as bridge layer and epitaxial lateral overgrowth (ELO) have been successfully used torcahze high quality epitaxial layers of In Gal-rAs and related compounds on m-V substrates. However, since the surface of these resulting layers is flat, it needs additional processing to have the epilayer with surface texture to enhance the optical absorption. The pyramidal texture of the surface has been proved to be useful in improving the conversion efficiency for solar cell and light emitting diode (LED). Therefore, it is very important to grow high quality In Gar-rAs and In Gal-rSb epilayers with pyramidal textured surface for the fabrication of high efficient PV cells. Liquid phase epitaxy (LPE) has the advantage of offering higher crystal quality as well as relatively inexpensive apparatus and inherent safety.

In this work, new selective growth techniques have been developed to obtain InGaSb and InGaAs pyramidal

(3)

epilayers with relatively low etch pit density (EPD) on Itr-V substrates by LPE. Further, the effect of Te impu- rity on morphology of GaSb pyramidal epilayer is clarified for the fabrication of optical devices by using the pyramidal epilayer.

A conventional LPE system with a graphite boat inside a quartz tube in high-purity Hz atmosphere is em- ployed. The subsffate with circular mask made by Si\ amorphous film is used for selective growth.

A truncated pyramidal GaSb epilayer has been grown on GaSb (001) substrate. Owing to the fact that there is polarities along <111> orientations for zinc-blende structure m-V compound semiconductors, the side { 111}

facets were identified as two facets, namely, (111)A and (1 I 1)B in terms of their featured patterns after etching.

On the other hand, it is found that there is an inhomogeneous distribution of etch pit density on surface of the epilayer. Cross sectional view indicates that there is a cavity in the center of the epilayer. Due to presence of the cavity, the propagation of the dislocations originated from substrate is prevented. As a result, the top portion of

the epilayer is dislocation-free. The result indicates that the hollow pyramidal structure has defect filtration effect. Since the hollow pyramidal epilayer is rather different from conventional epilayer, corresponding forma- tion mechanism is studied.

In order to study the effect of pyramidal structure in reducing dislocations in mismatched heteroepitary, I&.ooGao.eaSb pyramidal epilayers with mirror-like { 111} facets have been grown on GaSb (001) substrate. It is found that Ins.s6Gas.eaSb heteroepitaxial layer with low EPD couldn't be achieved on a substrate with circular open window due to the relatively active epilayer growth at the center of the open seed area. When a substrate

with Si\ amorphous film deposited at the center of circular open seed area was used to suppress the active epilayer gtowth, Ino.ooGao.eaSb heteroepitaxial layer with low EPD was achieved.

Composition conversion technique has been successfully employed to grow InGaAs bridge layer with high In composition and relatively low EPD. In this section, Ino.ssGao.l5As heteroepitaxial layers have been grown on InAs (001) substrate by using combination of composition conversion technique and pyramidal strucfure. To compare the results, conventional method, i.e., supercooling technique is also used to grow the In6.s5Gao.rsAs heteroepitaxial layer. It is found that composition homogeneity on surface of the epilayer is improved when compared to that grown by conventional supercooling technigue. Ino.e5Gas.15As heteroepitaxial epilayers with low EPD were achieved on the substrate with SiNx amorphous film deposited at the center of circular open seed area by forming hollow pyramidal sffucture. These results indicate that the combination of composition conver- sion technique and hollow pyramidal structure is very effective to obtain Ino.ssGao.l5As heteroepitaxial epilayer with low EPD and homogeneous composition distribution.

In order to use the pyrarnidal epilayer for the fabrication of optical devices, the influence of Te impurity on

the morphology of GaSb epilayer is investigated. After the addition of Te, it is found that (31 1)B facet is formed

instead of (111)B facet. The cross sectional (110) plane of Te doped GaSb epilayer after stain etching in a

permanganate etchant revealed that two boundaries exist between upper and lateral parts of the epilayer. It is

believed that the two parts have different Te doping concentration. In addition, a few Te impurify striations are

(4)

found in the lateral part of the epilayer while no impurity striation is found in upper part.

(5)

論 文 審 査 結 果 の 要 旨

熱光発電システムは、エ ミッターか ら放射 される熱放射線 を光電変換素子 に入射 して電力 を得るシ ステムである。これは、広範な熱源に対応できること、稼動部のない静的システムであること等の特 長を生か し、小型分散型発電システム等への応用が期待で きる。hxGal̲xSbや Lβ

al̲ユ

Sは 組成比に

より受光波長を制御できるため光電変換材料 として有望であるが、高光電変換効率を得るためには低 転位密度で受光面積の大 きなピラミッド構造結晶成長法の開発が求め られている。

本研究は、 hGaSbお よび InGaAsピ ラミッド層の新 しい成長法 を開発 し、さらにデバイス化のた めに n型 不純物 Te添 加が成長形態に及ぼす効果 を調べ ることを目的 としてなされた。

第 1章 においては、熱光発電システムや従来の結晶成長法 を概観 し、本研究の課題 を提示 してい る。また、低転位密度のビラミッド層成長法 としてマスク基板上への選択成長の有望性 を述べてい る。

第 2章 では、窒化 シリコン膜 を堆積 した後ホ トリソグラフイー技術 を用いて円形又はリング状の 窓を開けたⅢ― V族 化合物基板上に、液相成長法 を用いてピラミッド層 を選択成長 させる方法等 を述 べている。

第 3章 では円形の窓を開けた GaSb基 板上への GaSb選 択成長実験 を行 っている。 GaSb層 が窒化 シリコン膜上に横方向成長するとともに窓側面か ら立体的に成長 し、側面が {111}面 か ら構成 される ピラミッド層 を形成することや成長層の転位密度が低いこと力群

J明

し、さらに、成長面の成長速度依 存性 に基づいてピラミッド形成モデルを提案 している。

第 4章 では GaSb基 板上への hGaSb選 択成長実験 について記述 している。基板 と成長層の格子不 整に起因した欠陥を少な くするために、 リング状の窓を開けた基板上にピラミッド層 を選択成長 させ る新 しい方法 を開発 し、低転位密度の成長層 を得ている。

第 5章 では高 In組 成比の InGaAsピ ラミッド層成長の新 しい方法 を記述 している。 In組 成比の高 い InGaAs層 は基板 との格子不整合率が大 きいために成長が困難であつたが、 InAs(001)基 板 を

hO。 85GaO。 15As基 板 に組成変換 させた後ホモエ ピタキシャル成長 させ ることで、高 h組 成比で低転位

密度のビラミッド層の成長に成功 した。これは、一般的に基板 と格子整合 しない結晶層の選択成長方 法 に適用で きる。

第 6章 ではデバイス化のために n型 不純物 Tcが 成長形態 に及ぼす効果 を調べ、 Te添 加量の増大 に伴い (111)B成 長が抑制 され (311)B面 が発達すること等 を明 らかにしている。 この結果は、不純 物効果に対する新 しい知見 を与えるものである。

第 7章 は全体の総括 と今後の課題である。

以上のように、本論文は Ⅱ

I―

V族 化合物基板上 に低転位密度の InxGal̲xSbお よび InxGal̲xAsピ ラ

ミッド層 を成長 させるために、 リング状マスク基板上への選択成長法や組成変換基板上へのホモエピ

タキシャル成長法 を開発 し、 さらに n型 不純物 Te添 加が成長形態 に及ぼす効果 を明 らかにしてい

る。これらは、高効率の熱光発電デバイス作製に貴重な指針 を与えるものである。よって、博士

(工

(6)

)の

学位 を与えるに充分な内容 を有するもの と認定する。

参照

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