北大など、簡便な手法で光機能性ナノワイヤのウェハ上への大容量集積に成功

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北海道大学(北大)、東京大学(東大)、愛媛大学は2月7日、発光・受光機能に優れたGaAs系半導体ナノワイヤを、2インチ(50mm)Si(111)ウェハ上で約7億本、前処理や後加工などが不要な単一の分子線エピタキシー法を用いて大量合成することに成功したと発表した。

同成果は、北大 量子集積エレクトロニクス研究センターの石川史太郎教授、北大大学院 情報科学研究院の村山明宏教授、同・樋浦諭志准教授、愛媛大大学院 理工学研究科、東大大学院 工学系研究科の柳田剛教授、同・長島一樹准教授らの研究チームによるもの。詳細は、英国王立化学会が刊行するナノサイエンスとナノテクノロジーを扱うオープンアクセスジャーナル「Nanoscale Advances」に掲載された。

半導体の中でも、周期表中のIII属とV族の元素を組み合わせたIII-V族化合物半導体は、物質中でも最高峰の光電変換機能と電子移動度を持つ。だが、加熱基板上で結晶を成長させるエピタキシャル成長では、構成層の熱膨張係数差が問題となり、Si上のIII-V族半導体のエピタキシャル成長は困難だった。

しかし、小さな開口部から針状結晶を形成させるナノワイヤでは、SiにIII-V族化合物半導体を高品質にエピタキシャル成長させることが可能だ。とはいえ、ナノワイヤを太陽電池などに応用するにあたっては、出力の面からその大量生産が求められている。エピタキシャル成長で主に用いられる、有機金属気相エピタキシーや分子線エピタキシーなどの手法では、この大量生産には不向きと考えられており、ナノワイヤを大量生産できる新たな手法の開発が試みられている。

そこで研究チームは今回、分子線エピタキシー法において、構成元素であるGaの自己触媒効果を用いることで、市販のSiウェハ上に前処理を一切必要とすることなく、適切な結晶作製条件を用いるのみでデバイス応用可能な高品質ナノワイヤを簡便かつ大量に合成する手法を開発することにしたという。

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ナノワイヤの作製は、市販の2インチSi(111)ウェハを基板に、分子線エピタキシー法によって行われた。ここで、GaAs結晶を成長させるために用いる構成元素のGaそのものを、結晶の核生成と成長を促進する触媒として用いることにしたとする。Siウェハ上にGa液滴を形成し、そこから光機能の高いGaAsナノワイヤが形成された。

結晶は、液滴のGaにAsが混入して結晶が生成される「気相-液相-固相成長」と呼ばれる結晶成長現象で形成された。この際の結晶ができ上がる基板の温度、供給する金属元素の蒸気圧、成長環境となる装置内圧力などが詳細に検討され、適切な条件下ではウエハ全面において高い密度でナノワイヤが均質に合成されることが発見された。

さらに、GaAsナノワイヤが形成された後、その周囲を光や電子閉じ込め効果の高いAlGaAsで覆うことで、内部のGaAs部分の電子が外部に流れ出すことなく良好に機能すること、および微細な積層構造の形成で将来のデバイス構造作製が可能になることが目指されたという。また、ナノワイヤの最表面で空気に触れる部位が、自然に酸化された膜として保護層となるよう構造設計された。

この手法により形成されたナノワイヤは長さ約6μm、直径約250nm、密度は1cm3あたり約5000万本で、これは2インチ基板全体でおよそ7億本に相当するという。

ウェハの外観は、ナノワイヤによる光散乱と吸収によって可視波長の反射率が2％未満に抑制され、元のSiウェハの鏡面状態から黒く見えるように変化したとする。ナノワイヤが成長したウェハは、市販のGaAs基板と同等かそれ以上の発光強度を持ち、さらにその発光波長はウェハ全体で均質であることも確認された。

また、ナノワイヤ最外殻表面が空気に触れて自然酸化することで形成される自然酸化膜は、ナノワイヤの表面を安定な酸化膜で長期間保護し、光特性の向上に寄与することも示されたとする。

今回の研究により、2インチSi(111)ウェハ上で約7億本の微細ナノワイヤを、前処理や後加工などが不要な単一の分子線エピタキシー法のみで簡便に形成する技術が実現された。ワイヤは非常に均質で高品質であり、微細な積層構造も形成可能であることから、各種のデバイスも作製可能としている。ナノワイヤ群では効率的な光吸収が促進される結果も得られており、太陽電池の大出力化や、Si半導体への安価で高機能な光機能付加など、新しい展開が期待されるとした。