Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

化合物半導体 / 結晶成長 / MOVPE / 選択成長 / 反応機構 / その場観察 / シュミレーション / 集積化 / シミュレーション

本研究は、InGaAsP系化合物半導体をベースとしたモノリシック光集積回路を効率よく作製するための基礎技術として、MOVPEプロセスにおける選択成長現象を有効に活用することを目標とした。MOVPEプロセスにおいて、化合物半導体結晶板上にシリコン酸化膜など、絶縁性の被膜を部分的に作製すると、絶縁被膜の上には結晶成長が一切起こらず、結晶基板上にのみエピタキシャル成長をする。このとき、結晶表面積と絶縁被膜表面積のローカルな比によって結晶表面での成長速度並びに化合物組成に変化が生じる。これを面積選択性と呼び、積極的に活用すると、絶縁被膜(マスク)を通常のリソグラフィによりパターニングするだけで、アクティブな発行素子、受光素子、ならびに光導派路などを一回の結晶成長により作製できる。この技術を高度に活用するために、本研究では、MOVPEプロセスにおける気相及び表面での反応過程解析を検討した。
昨年度は、特定の条件でMOVPEリアクター内でのプレーンな基盤表面上への製膜速度分布、組成分布を解析し、熱流体解析ソフト(CFD)によるシュミレーションと比較して反応機構の検証を行った。その結果、通常の条件ではIII族組成分布、成長速度分布を良好に再現でき、モデルの妥当性を確認できた。しかし、特にV族組成に関しては実験結果を再現できない点があり、基板上でのV元素の吸着・脱離が基板上に成長する半導体の組成に影響を受けている可能性があった。これを検証するため、今年度はエミッションIR分光法による成長表面の吸着種観測を試みたが、基盤ヒータまわりからの迷光などにより、有効な測定はできなかった。そこで、成長速度を半減させ、組成と成長速度の変化を検討してみたところ、従来用いていた反応モデルと速度データでは再現できないほど、組成に変化が現れた。これに対して、モデルの再検討を行い、表面での非線形な速度式を導入することが必要であることがわかった。また、面積選択成長を行った際に、プレーンな基板上に成長したエピタキシャル膜と組成が異なることもわかり、In系の製膜種が表面拡散・気相拡散が遅いために分布を持つことで理解できた。これらの知見を基に、面積選択成長によるモノリシック光集積回路の作製技術を高度化することが可能となった。

MOVPE / MOCVD / 選択成長 / MOVE / 分光エリプソメトリ / 成長シミュレーション / MMIカプラ / 光アンプゲートスイッチ / MOVE2 / InGaAs / InP / シミュレーション / 気相拡散

1. 分光エリプソメトリによるMOVPEのその場観察: 本研究では,分光エリプソメトリを用いたMOVPEのその場観察を試み,特に成長表面状態の観察が可能であることを示した.その知見を応用して,1〜3分子層の厚さを有するInGaAs/InP量子井戸を作製し,それをCTR法によって評価したところ,従来のどの報告例より優れた信号が得られ,界面は実際に単分子層オーダの急峻性を有することが示された.
2. 流れ方向成長速度/膜質分布の解析とそれを応用した成長条件の最適化: InPおよびGaAsの原料ガス流れ方向の成長速度分布,膜質分布を,特別に作製したサセプタを用いて実験的に調べ,その結果と本研究で新たに開発した成長シミュレータによる結果とを比較考察した.これを基に,高温時に発生する表面荒れのメカニズムを特定し,表面荒れを回避する成長条件を論理的に決定することに成功した.
3. 有機金属気相拡散選択エピタキシー技術の開発: モノリシック光集積回路において能動素子と受動素子を一括集積化する技術として,有機金属気相拡散選択エピタキシー(metal-organic vapor phase diffusion enhanced selective area epitaxy;MOVE)を新たに開発した.これを用いて,1.55μm帯における能動領域と受動領域のバンドギャップ差を,組成の差のみの場合で200nm,組成と量子井戸層厚の差の両方を利用できる場合で500nmと,従来に比べ格段に大きくすることに成功した.
4. 面積選択MOVPE成長のシミュレーション: MOVPEによる選択成長を統一的に理解することを目的として,シミュレータの開発を行った.横方向気相拡散効果と表面マイグレーション効果を独立に扱うことのできる2次元モデルを使用してシミュレーションを行った結果,実験事実を説明することができ,従来の選択成長では表面拡散チャネルが優勢であること,一方MOVEでは気相拡散チャネルが優勢であることが明らかになった.
5. MOVEによる光素子・集積回路の試作: MOVEは,導波路アレイを作製することのできる世界で唯一の選択成長技術である.この特徴を利用して,1×2多モード干渉(MMI)合/分波器を,選択成長によって世界で初めて試作,実現した.さらにMOVEによる能動/受動集積を適用して,光交換で必要とされる光アンプゲートスイッチ集積回路を世界で初めて試作し,その動作を確認した.

【研究分担者】
中野義昭	東京大学	大学院・工学系研究科	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
霜垣幸浩	東京大学	工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)