MBE成長GaAs表面の平坦化とそのAFM観察

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1 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

2 T型量子細線 MBE成長(110)表面の平坦化 成長中断アニール法 490oCで成長 600oCでアニール アーム 井戸 原子レベルで
（M. Yoshita et al. JJAP 200１） 490oCで成長 600oCでアニール T型量子細線 アーム 井戸 6nm [110] [001] [110] 原子レベルで 平坦な表面 の形成 ステム井戸 14nm

3 成長中断アニール表面のGaAs堆積量依存性
600C, 10 min. GaAs厚(nominal) 6nm (=30 ML) Ga 分子線空間分布方向 アニール表面を制御するという観点から 供給量のずれの効果 界面の制御 Ga flux分布　1 %/mm 　　　　　　　　 (0.3 ML/mm) M. Yoshita et al. APL 2002 J.-W. Oh et al. APL 2003

4 (110)GaAs量子井戸構造の顕微発光像 原子平坦 2~3 ML高さ 島構造 1ML深さ ピット構造
n = 30 ML 原子平坦 2~3 ML高さ 島構造 1ML深さ ピット構造 その良い一致をエネルギー分解で見たのがこの結果です。 M. Yoshita et al. APL 2002 J.-W. Oh et al. JAP 2004

5 MBE成長表面平坦化プロジェクト T型量子細線の更なる高品質化 研究目的： へき開再成長(110) ヘテロ界面の平坦化
　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 　(001)ヘテロ界面の平坦化 　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。

6 (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 島構造の減少 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

7 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

8 三角形ピット構造のサイズ分布 三角ピット構造形成 620~630Cにしきい値 高温でサイズの増大 アニール温度は620-630C付近が最適
2ML深さ @ 649C 5mmx5mm 三角ピット構造形成 620~630Cにしきい値 高温でサイズの増大 アニール温度は C付近が最適

9 ステップエッジ近傍での表面構造 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
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

10 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 200 um/ML ＞表面拡散長 ~20 um 局所的な表面構造には差が見えない。

11 ステップエッジ方位依存性２ 100nm GaAs on (110) edge 10 min. annealing at 650C
(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

12 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 C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

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14 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

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16 native oxide desorption
(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 1) 2) 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 ( nm) h-scale 16 nm h-scale 3 nm ref. (001)QW発光特性の向上 極めて細い発光線幅 QW成長： 　基板温度 610C h-scale 20 nm

17 GaAs(110)面における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 Species Migration Direction Barrier Energy (eV) Ga [110] 0.57 [001] 0.86 As 0.67 [110] on (001)b2 1.2 1.5 cf. (A.Ishii et al. APL 2003)

18 (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 堆積量が整数倍となる領域では両界面が原子平坦！！ M. Yoshita et al. APL 2002