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論文

Real-time observation of rotational twin formation during molecular-beam epitaxial growth of GaAs on Si (111) by X-ray diffraction

鈴木 秀俊*; 仲田 侑加*; 高橋 正光; 池田 和磨*; 大下 祥雄*; 諸原 理*; 外賀 寛崇*; 森安 嘉貴*

AIP Advances (Internet), 6(3), p.035303_1 - 035303_6, 2016/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:71.12(Nanoscience & Nanotechnology)

The formation and evolution of rotational twin (TW) domains introduced by a stacking fault during molecular-beam epitaxial growth of GaAs on Si (111) substrates were studied by in situ X-ray diffraction. To modify the volume ratio of TW to total GaAs domains, GaAs was deposited under high and low group V/group III (V/III) flux ratios. For low V/III, there was less nucleation of TW than normal growth (NG) domains, although the NG and TW growth rates were similar. For high V/III, the NG and TW growth rates varied until a few GaAs monolayers were deposited; the mean TW domain size was smaller for all film thicknesses.

論文

In situ three-dimensional X-ray reciprocal-space mapping of GaAs epitaxial films on Si(001)

高橋 正光; 仲田 侑加*; 鈴木 秀俊*; 池田 和磨*; 神津 美和; Hu, W.; 大下 祥雄*

Journal of Crystal Growth, 378, p.34 - 36, 2013/09

 被引用回数:5 パーセンタイル:52.72(Crystallography)

Epitaxial growth of III-V semiconductors on silicon substrates is a longstanding issue in semiconductor technology including optoelectronics, high-mobility devices and solar cells. In addition to a lattice mismatch of 4%, formation of antiphase domain boundaries makes the growth of GaAs/Si(001) more complicated than that of congeneric combinations, such as Ge/Si(001) and InGaAs/GaAs(001). In the present study, defects in GaAs/Si(001) epitaxial films are investigated by three-dimensional X-ray reciprocal-space mapping technique, which we have successfully applied for InGaAs/GaAs(001) growth. Experiments were carried out at a synchrotron beamline 11XU at SPring-8 using a molecular-beam epitaxy chamber integrated with a multi-axis X-ray diffractometer. Streaky scattering extending from the GaAs 022 peak in the $$langle 111rangle$$ directions was observed, indicating development of plane defects, such as facets and stacking faults.

論文

X-ray micro-beam focusing system for in situ investigation of single nanowire during MBE growth

Hu, W.; 高橋 正光; 神津 美和*; 仲田 侑加*

Journal of Physics; Conference Series, 425(20), p.202010_1 - 202010_4, 2013/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:40.95

A ternary Fresnel zone plate (FZP) has been fabricated and installed at the beamline 11XU of SPring-8, in the aim of in situ studies on the growth of semiconductor nanostructures using an X-ray diffractometer integrated with a molecular-beam epitaxial (MBE) chamber. The FZP is designed for an X-ray energy of 9.5 keV with peak efficiency of 48% for the 1st-order diffraction. The full width at half maximum of the focused beam profile is around 1 micrometer in both horizontal and vertical directions measured by the dark-field knife-edge scan of a gold wire which was 0.3 mm in diameter. Using this FZP, we will be able to perform in situ study of the growth mechanism of nanowire (NW) in atomic scale and carry out in situ X-ray diffraction (XRD) studies of single NW during MBE growth with a micro-beam. In this work, the performance test of this focusing system is presented and preliminary applications to monitoring the growth of single NW by in situ XRD were also carried out.

論文

${it In situ}$ X-ray characterization of wurtzite formation in GaAs nanowires

Krogstrup, P.*; Morten Hannibal, M.*; Hu, W.; 神津 美和*; 仲田 侑加*; Nygard, J.*; 高橋 正光; Feidenhans'l, R.*

Applied Physics Letters, 100(9), p.093103_1 - 093103_4, 2012/02

 被引用回数:40 パーセンタイル:13.87(Physics, Applied)

${it In situ}$ monitoring of the crystal structure formation during Ga-assisted GaAs nanowire growth on Si(111) substrates has been performed in a combined molecular beam epitaxy growth and X-ray characterization experiment. Under Ga rich conditions, we show that an increase in the V/III ratio increases the formation rate of the wurtzite structure. Moreover, the response time for changes in the structural phase formation to changes in the beam fluxes is observed to be much longer than predicted time scales of adatom kinetics and liquid diffusion. This suggests that the morphology of the growth interface plays the key role for the relative growth structure formation rates.

口頭

Si(001)上のGaAs成長のその場X線回折

仲田 侑加*; 鈴木 秀俊*; 池田 和磨*; Hu, W.; 神津 美和; 高橋 正光; 大下 祥雄*

no journal, , 

Si上のGaAsの成長には、安価で高効率な太陽電池の実現や光電子集積回路の実現が期待されている。しかし、Si上のGaAsの成長は成長初期から島状成長し、格子不整合や逆位相境界などにより、結晶欠陥も多い。デバイス応用が可能な単結晶膜を実現するためには、成長メカニズムの理解が必要である。本研究では、Si(001)上のGaAs層の成長メカニズムについて、三次元X線逆格子マッピングを用いて調べた。島状成長が進行している成長初期において、平均結晶粒径$$L$$は成長時間$$t$$の1/2乗に比例している。島の成長過程は(1)原子の表面拡散と(2)原子の島への取り込みに分けられる。この成長で見られた$$Lpropto t^{1/2}$$の依存性は、表面拡散が十分に速く、島への取り込みで成長速度が律速されていることを示している。

口頭

In-situ X-ray diffraction during Au-assisted growth of GaAs nanowires

神津 美和; Hu, W.; 仲田 侑加*; 高橋 正光

no journal, , 

Nanowires of GaAs and InAs are known to often adopt the wurtzite (WZ) structure instead of the zincblende (ZB) structure which is the most stable in the bulk. The variation in the crystal structure of nanowires is interesting not only from the viewpoint of crystal growth fundamentals but also from the device applications. In this paper, in situ X-ray diffraction results revealing the transition from ZB to WZ during growth is presented. Experiments were performed on the synchrotron radiation beamline 11XU at SPring-8 using molecular beam epitaxy chamber integrated with a surface X-ray diffractometer. It was found that nanowire growth began with formation of the ZB structure. The transition from ZB to WZ was found to be delayed by increasing the growth temperature.

口頭

Characterization of self-assisted InAs nanowire on Si substrate during MBE growth using in-situ X-ray diffraction

Hu, W.; 高橋 正光; 神津 美和*; 仲田 侑加*

no journal, , 

In-situ investigation of the structure of the nanowires (NWs) during the growth is a most promising way for understanding the growth mechanism and optimizing growth parameters. In this work, we investigated the growth process of self-assisted InAs NWs on Si(111) substrate during the MBE growth using X-ray diffraction technique. Experiments were carried out at the SPring-8 synchrotron radiation facility at beamline 11XU using a psic-type X-ray diffractometer integrated with an MBE chamber, which enables in-situ characterization during the growth of group III-V semiconductors. During the growth, intensity distribution about the symmetric 111 and the structure sensitive wurtzite (WZ) and zincblende (ZB) asymmetric Bragg reflections of InAs nanowires was measured using a PILATUS 100 K detector.

口頭

放射光X線回折によるAu触媒GaAsナノワイヤの結晶構造変化のその場観察

神津 美和; Hu, W.; 仲田 侑加*; 高橋 正光

no journal, , 

金属液滴を触媒として用いる気相-固相-液相成長機構を利用して作製したGaAs量子細線は、GaAs基板の構造である閃亜鉛鉱型構造(ZB)だけでなく量子細線特有の構造としてウルツ鉱型構造(WZ)をとることが報告されている。しかし構造変化の要因はさまざまな要因が指摘されており、充分に明らかにされていない。本研究では構造変化の要因のひとつとして指摘されている共晶の過飽和度と量子細線成長過程での結晶構造変化を明らかにすることを目的とする。過飽和度は共晶が置かれている環境が高温であれば共晶が含むことができるGaの最大量が増加、つまり過飽和度が小さくなる。このことから成長温度を変化させることが過飽和度を変化させることに繋がると考え、成長温度をそれぞれ変化させたGaAs量子細線を放射光X線回折によってその場測定を行った。成長初期はZBのみが確認され成長が進むにつれWZが出現することを確認した。さらにWZは成長温度が低いほど出現が早いことが確認された。

口頭

In situ X-ray diffraction study of GaAs growth on Si

高橋 正光; 仲田 侑加*; 鈴木 秀俊*; 池田 和磨*; Hu, W.; 神津 美和; 大下 祥男*

no journal, , 

Epitaxial growth of III-V semiconductors on silicon substrates is a longstanding issue in semiconductor technology. In the present work, we have employed in situ synchrotron X-ray diffraction to investigate the Volmer-Weber growth of GaAs/Si. From the three-dimensional reciprocal space mappings, structural information, such as strains, crystalline domain size and defects, was obtained during growth. The time evolution of the island size was compared with the prediction from the general nucleation theory. From the power-law exponents, it was concluded that growth processes of GaAs on Si(001) and Si(111) are limited by interface transfer and surface diffusion, respectively.

口頭

GaAsナノワイヤ成長中断時の結晶構造変化

神津 美和; 高橋 正光; Hu, W.; 仲田 侑加*

no journal, , 

金属液滴を触媒として用いるVapor-Liquid-Solid(VLS)成長機構を利用して作製したIII-V族半導体ナノワイヤは成長条件によって基板の結晶構造である閃亜鉛鉱型構造(ZB)のほかウルツ鉱型構造(WZ)や4H, 6Hといった構造多形をとることが報告されている。しかし構造変化の要因は充分に明らかにされていない。今回、われわれはナノワイヤ成長中断時にWZからZBへ構造が変化することを発見したので報告する。ZB, WZそれぞれのピークはGa供給開始とともに強度は増加し、Ga供給を中断させるとWZの強度は減少しZBの強度はさらに増加することが見いだされた。また、それぞれの回折強度の変化の成長速度依存性を調べたところ、ZB、WZともに構造の変化に成長速度依存性が確認された。構造変化が最も顕著成長速度においてナノワイヤを成長させると、構造多形が多く含まれた結晶性の悪いナノワイヤが成長したことが確認された。

口頭

Au触媒GaAsナノワイヤにおける構造多形の成長速度依存性

高橋 正光; 神津 美和; Hu, W.; 仲田 侑加*

no journal, , 

ガリウムヒ素は、バルク結晶では閃亜鉛鉱構造が最安定であるのに対し、量子細線の状態では、ウルツ鉱構造をはじめ、4H, 6Hなどからなる構造多形を示すことが知られている。核形成の理論によれば、結晶成長時の過飽和度が大きいほど、表面エネルギーによる利得が大きくなり、六方晶性の強い構造が生成しやすくなることが示される。本研究では、成長速度を通じて実質的に過飽和度を変化させ、量子細線の構造多形の割合をX線回折法により評価する実験をおこなった。X線回折は、多数の量子細線を一度に測定できるため、構造多形の分布について、精度の高い解析が可能になった。過飽和度の増加にともなう構造多形の形成確率の変化は、Ga供給速度を増加させたときの傾向と一致し、Ga供給速度を変えることにより、構造多形の制御が可能であることが示された。

口頭

X-ray diffraction from polytypes in Au-assisted GaAs nanowries

高橋 正光; 神津 美和*; Hu, W.*; 仲田 侑加

no journal, , 

The polytypism of GaAs nanowires was investigated by in situ X-ray diffraction. The growth of nanowries was found to start with the formation of zincblende structure, followed by the growth of the wurtzite structure. Comparison with the simulation based on the thermodynamic model of nucleation shows that the observed transition of the growth mode is due to the increase in supersaturation during nanowire growth.

口頭

Au触媒InGaAsナノワイヤのその場XRD/SAXS測定

佐々木 拓生; 出来 亮太*; 仲田 侑加; 高橋 正光

no journal, , 

VLS(Vapor-Liquid-Solid)成長機構によって形成されるGaAsナノワイヤはその成長条件によって、閃亜鉛鉱型(ZB), ウルツ鉱型(WZ)、または4H, 6Hといった構造多形をとることが知られている。本研 究はGaAsに少量のInを添加したInGaAsナノワイヤに着目し、In添加によるナノワイヤの構造多形および表面モフォロジへの影響をX線回折と小角X線散乱のその場測定により検討した。その結果、InGaAsナノワイヤは成長初期からZB構造に加えて、WZ構造もできやすいことが分かった。Au触媒InAsナノワイヤの場合、GaAsナノワイヤのような構造多形は起きず、純粋なWZ構造であることが知られている。このことから、少量のIn添加によっても、容易にWZ構造ができやすくなることが考えられる。この事実はナノワイヤの成長条件だけでなく、Inの添加量によっても結晶構造を制御できる可能性を示唆するものである。

口頭

Si(111)-(4$$times$$1)-In表面上に成長したInAsエピタキシャル膜の界面構造

仲田 侑加; 佐々木 拓生; 出来 亮太*; 高橋 正光

no journal, , 

光電子集積回路への応用を目的として、Si上のIII-V族半導体のエピタキシャル膜に期待が寄せられている。Si上のIII-V族半導体成長では、3次元的島成長、格子不整合、逆位相境界などが原因となり、平坦な単結晶膜を得ることが困難とされてきたが、近年、Si(111)-(4$$times$$1)-In表面上に成長させたInAs膜は、10%以上の格子不整合度があるにもかかわらず、平坦性・結晶性ともに良好であるという報告がなされた。本研究では、Si(111)基板とInAs膜の界面構造をSPring-8・BL11XUに設置されている分子線エピタキシー(MBE)装置とX線回折計が一体化した装置を用いて調べ、大きな格子不整合度を持つ系で平坦な界面が形成される原因を探った。その結果、SiとInAsの界面はSiとInの結合からなることが見い出され、InAs膜の成長前にSiと吸着したInの層を作製することが平坦なInAs膜の成長に重要であることが確認された。

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