テルルドーピングによる触媒フリーInAsナノワイヤの形態、結晶構造、伝導度向上（シリコン基板上）

概要

分子線エピタキシー法でシリコン(111)基板上に触媒フリーInAsナノワイヤをTeドープ成長させた結果を報告。ワイヤ形態（長さ短縮、直径拡大）はTe濃度上昇に伴い進行的に変化。透過型電子顕微鏡とX線回折で、成長中のTe導入により亜鉛鉱型/(ウルツ鉱型+亜鉛鉱型)セグメント比が増加することを確認。二点電気測定で、高Te濃度で伝導度が顕著に上昇することを実証。砒素分圧のみを約1 × 10⁻⁵ Torr変えた（他パラメータ固定）2つの比較成長系列を各種Teドープレベルで検証。比較により、結晶構造が強く影響を受け、より高い砒素分圧で成長したワイヤでは伝導度向上がより顕著であることが判明。

背景

ナノワイヤ（NW）は、電界効果トランジスタ、光検出器、太陽電池など新興技術の多用途な構成要素として注目されている。高アスペクト比、超低消費電力、InAsでは金属界面でショットキーバリアがないという優れた特性により、電子および量子情報応用の両方で魅力的である。InAs NWは高電子移動度、低有効質量、大きなg因子、強いラシュバスピン軌道結合を示す。

従来のInAs NWは金液滴を触媒とする気液固（VLS）法で成長させる。金は不純物を意図せず導入し、シリコンベース集積を阻害する。この制約を克服するため、触媒フリー気固（VS）法を採用。このモードでは立方晶亜鉛鉱型（ZB）と六方晶ウルツ鉱型（WZ）の両相が共存し、多型性や回転双晶、積層欠陥などの欠陥が輸送と光学特性に悪影響を与える。

ドーピングは電荷輸送向上の道筋だが、従来のIII-Vドーピング戦略は異方性成長ファセットと相依存表面再構成のためNWに直接適用できない。シリコンは一般的なn型ドーパントだが、NWでは両性挙動を示し問題となり得る。テルルは第VI族元素で、低電離エネルギー、最小拡散、無両性という効率的なn型ドーパント。TeはAu触媒および自己触媒NWの両方で堅牢なドーパントとして実証され、形態と結晶構造に影響を与える。

本研究では、触媒フリーInAs NWへのTeドーピングを体系的に調査し、形態変化、相進化、電気性能に焦点を当てた。走査型電子顕微鏡（SEM）、高分解能TEM（HR-TEM）、XRD、二点電気測定により、一貫した傾向を明らかにした：Te導入はZBセグメント比を増加させ、伝導度を改善する。

方法/実験

InAs NWを外来触媒なしのVSモードでn型Si(111)基板上に成長。

基板準備

基板をHFとDI水で洗浄後、過酸化水素で45秒処理し、ピンホールを含む数オングストロームのSiO₂層を形成（核生成中心として機能）。酸化後、ロードロックに移し、200 °Cで45分加熱、さらに400 °Cで45分脱ガス。

InAsナノワイヤ成長

Omicron Pro 100 MBEチャンバーで475 °C、1時間20分成長。成長速度0.1 µm h⁻¹を使用。砒素はAsクラッカーセルから供給し、As₄ビーム相当圧（BEP）を2.3 × 10⁻⁵ Torr（系列B）と3.3 × 10⁻⁵ Torr（系列A）に設定。テルルはGaTeソースから導入；劈出セル温度を401 °Cから562 °Cに変化させ、キャリブレーション用GaAs層でキャリア濃度1 × 10¹⁵ cm⁻³から6 × 10¹⁹ cm⁻³に対応。

デバイス加工

二点コンタクト用に、NWを200 nm SiO₂を有するパターン形成済みSi基板上に機械転写。三層PMMAレジストスタックをスピンコートし、電子ビームリソグラフィでコンタクト形状を定義。コンタクト領域を希釈3.5%アンモニウムポリサルファイドで60 °C、30分パッシベート。100 nm Tiと40 nm Au電極を電子ビーム蒸着で形成。

SEM、TEM、XRD、電気測定で検証した全サンプルリストを表1に示す。文字A、B、Cは異なるAs分圧で成長した系列を示し、GaTe温度0 °Cはシャッター閉を意味する。

結果と考察

形態

SEM像でTeドーピングによりワイヤ長が減少し直径が増大することを確認。図1aは系列A（As-BEP ≈ 3.3 × 10⁻⁵ Torr）、図1bは系列B（As-BEP ≈ 2.3 × 10⁻⁵ Torr）を示す。GaTeセル温度500 °Cまでは明確な傾向は見られないが、561 °CでTe供給が急増し直径が大幅に増加、長さが短縮。系列Bでは401 °Cでより顕著な長さ減少が見られ、低As圧力がTeの形態への影響を増幅することを示唆。

Teの大きな共有結合半径が界面活性剤として作用し、インジウムアドアトムの拡散性を低下させ、軸方向より径方向成長を促進すると考えられる。As圧力上昇はこの効果を緩和し、形態変化を制御する手段となり得る。

結晶構造

HR-TEMとXRDでZB/(WZ+ZB)セグメント比を定量化。4二重層の積層序列でZBセグメント（…ABCA…）またはWZセグメント（…ABAB…）を定義。完全な4二重層序列を持たないセグメントを積層欠陥や双晶として分類。

図3に示すように、両系列でGaTeセル温度上昇に伴いZB/(WZ+ZB)比が上昇。447 °Cでは主にZBセグメント数増加により比が上昇、500 °CではWZセグメント減少と積層欠陥微増。全体としてTe導入がZB形成を促進し、この傾向は高As分圧（系列A）でより顕著。

XRD φスキャンでこの挙動を確認。ZB(220)とWZ(10-11)反射を分離し、強度比I_ZB/(I_ZB+I_WZ)を図5bにプロット。Teドーピングで比が増加、特に系列Aで顕著。系列Bの弱い反応はAsがTe導入を促進する役割を示す。

電気測定

二点I-V曲線はInAs表面蓄積層と整合的なオーミック挙動を示す。伝導度σ = A R L⁻¹ wを六方晶断面積公式A = 3√3 d_NW²/8で算出（d_NWとL_wはSEMで測定）。

図6eで、最高Teドーピング（GaTeセル500 °C）で伝導度が約1桁上昇し、約80 S cm⁻¹に達するのに対し、非ドープワイヤは約8 S cm⁻¹。系列Aでのより強い伝導度向上は、その高いZB/(WZ+ZB)比と相関。結晶相改善のみで伝導度は約50%向上するが、ここで観測された10倍増加はTeドナーによるキャリア密度上昇も反映。

伝導度のばらつきは、不均一なコンタクトパッシベーション、表面酸化、Te導入の軸方向不均一性に起因。インシチュAl₂O₃パッシベーションなどさらなる研究でこのばらつき低減が必要。

結論

VS成長でSi(111)上にTeドープ触媒フリーInAsナノワイヤを成長させ、Teが形態、結晶相、電気性能を調制することを実証。TeはZB/(WZ+ZB)比を増加させ、伝導度を1桁向上させ、特に高砒素分圧で顕著。これらの知見はIII-V NWのドーピング戦略を拡張し、欠陥誘起輸送劣化を緩和する道筋を提供する。