Transcript MBE成長GaAs表面の平坦化とそのAFM観察

JST-CREST秋山小川グループ研究会＠大阪大学 (June 29-30, 2006)
MBE成長GaAs表面の平坦化とそ
のAFM観察
東大物性研秋山研助手
吉田 正裕
Masahiro Yoshita
MBE成長(110)表面の平坦化
成長中断アニール法
（M. Yoshita et al. JJAP 200１）
o
T型量子細線
アーム
井戸
o
490 Cで成長 600 Cでアニール
[110]
6nm
[110]
[001]
ステム井戸
14nm
原子レベルで
平坦な表面
の形成
成長中断アニール表面のGaAs堆積量依存性
アニール
600C,
10 min.
GaAs厚(nominal)
6nm (=30 ML)
Ga flux分布 1 %/mm
(0.3 ML/mm)
M. Yoshita et al. APL 2002
J.-W. Oh et al. APL 2003
(110)GaAs量子井戸構造の顕微発光像
n = 30 ML
原子平坦
2~3 ML高さ
島構造
1ML深さ
ピット構造
M. Yoshita et al. APL 2002
J.-W. Oh et al. JAP 2004
MBE成長表面平坦化プロジェクト
研究目的：
1. へき開再成長(110) ヘテロ界面の平坦化
i) 成長中断アニール法の確立
ii) 平坦化メカニズムの解明
2. (001)ヘテロ界面の平坦化
3. AlAs、InGaAs系での平坦化法
T型量子細線の更なる高品質化
今回、１．に関して、

最適なアニール温度を探る。

平坦化メカニズムの解明を試みる。
(110)表面のアニール基板温度依存性
T=
591 C
615 C
627 C
649 C
6 nm (110) GaAs
CEOgrowth(510C)
+
10 min. anneling
結果：
アニール温度上昇に
より平坦化が促進
1. 島構造の減少
2. ピット構造拡大
しかし、
650C高温アニール
三角ピット構造形成
ラフニング
堆積量
偏差
5um x 5um
40um x 40um
GaAsへき開(110)面の高温アニール
GaAs へき開(110)面
no MBE growth
10 min. annealing at 649 C
三角形ピット構造の形成
650C高温アニール時の
成長表面からのGa原子desorption
三角形ピット構造のサイズ分布
2ML深さ
@ 649C
5mmx5mm
三角ピット構造形成
1. 620~630Cにしきい値
2. 高温でサイズの増大
アニール温度は620-630C付近が最適
ステップエッジ近傍での表面構造
6 nm (110) GaAs
CEOgrowth(510C)
+
10 min. anneling at 650C
50um x 50um
ステップエッジ近傍では、形成される表面構造が変化。
平坦化過程でのエッジとの相互作用
表面原子の拡散距離
~ 20um
ステップエッジ方位依存性
100nm GaAs on (110) edge
10 min. annealing at 650C
coverage deviation : 5 ML/mm
i) ステップ周期 ＞表面拡散長
~20 um
200 um/ML
局所的な表面構造には
差が見えない。
ステップエッジ方位依存性２
(110) sub.
100nm GaAs on (110) edge
10 min. annealing at 650C
ii) ステップ周期
＜表面原子拡散長
結晶方位に依存した特徴
のある規則的なステップ
エッジが形成
まとめ
へき開再成長(110)GaAs表面における成長中断アニール表面モフォロジーの
アニール温度依存性を観察。
１） 高温アニールにより表面平坦化の促進。島・ピット構造の大きさの減少。
２） 650C高温アニールでは、多数の2ML深ピット構造の形成。表面ラフニ
ング表面からのGa原子のdesorption
３） アニール温度620-630Cが平坦表面形成においてもっとも有効。
(110)面アニール平坦化過程でのステップエッジ効果
１） ステップエッジ周期が表面原子の拡散距離より小さい場合、ステップ
結晶方向に依存した規則的なステップエッジ形成
諸々の今後の課題（検討中）
透過吸収測定による量子細線・量子細線レーザーのキャリアダイナミクス解明
ポンププローブ法による吸収・ゲイン形成メカニズム
４光波混合、波長変換
計測・プロセス技術
時間分解透過計測系
ＰＣＦによるcontinuum光を用いた透過測定
ＡＲコーティング
励起子分子の２光子発光（直交配置測定）
量子細線レーザー電流注入メカニズム
(001)界面ラフネスの低減と(001)QW発光特性の向上
バッファ層からのラフネス低減
・・・成長中断(GI)時間を変えて表面ラフネス比較
MBE成長・アニール基板温度：650C
2)
1)
h-scale
16 nm
ref.
h-scale
3 nm
(001)QW発光
特性の向上
QW成長：
基板温度 610C
h-scale
20 nm
バッファ層の成長条件
ラスネスp-p (nm)
(括弧内はrms)
1)
700nm GaAs + 50s-GI
10-16nm (1.8nm)
2)
700nm GaAs + 3hrs-GI
1.7nm (0.23nm)
ref.
native oxide desorption
(no growth)
20-23nm
(2.4-2.7nm)
極めて細い
発光線幅
第一原理計算によるGa原子・As原子のmigration barrier energy
１ＭＬピットの
モデル
Ga adatom
As adatom
GaAs(110)面における
migration barrier energy
Atomic
Specie
s
Ga
Migration
Direction
[110]
Barrier
Energy
(eV)
0.57
Ga
[001]
0.86
As
[110]
0.57
As
[001]
0.67
cf.
[110] on
(001)b2
[110] on
Ga
(A.Ishii(001)b2
et al.
Ga
1.2
1.5
APL 2003)
(110)GaAs量子井戸のエネルギー分解発光像
2~3ML高さ島構造
1ML深さピット構造
M. Yoshita et al. APL 2002