ヘテロエピタキシーに見る結晶工学の進展

抄録

結晶工学は，デバイスとして利用できる結晶の成長，評価，物性などをカバーする分野であり，応用物理においてほかの多くの分野へと発展する基盤技術と位置づけることができます．その中でもエピタキシー技術の進展はデバイスの開発に直結し，高電子移動度トランジスタ（HEMT），半導体レーザー，青色発光ダイオードなど身の回りの製品にも欠かすことのできないデバイスを生み出してきました．

新しいデバイスを作ろうとするとき，新しい構造や結晶が不可欠になります．そして，その結晶成長技術を確立するとともに，結晶成長を制御しなければなりません．エピタキシャル成長において，成長層の結晶性を左右するのは下地となる基板です．しかし，基板として利用できる結晶の種類は限られており，多くの場合は，成長層と異なる基板結晶上へのヘテロエピタキシーを強いられます．

結晶構造の違い，格子不整合，熱膨張係数の不整合などが問題となるヘテロエピタキシーでは，欠陥の発生を抑制して成長層の特性を十分に引き出すため，ヘテロ界面でさまざまな工夫が必要であるとともに，その成果がデバイス開発のブレークスルーにつながります．窒化物半導体の低温バッファ層はその代表といえるでしょう．一方，ひずみSiや自己形成量子ドットでは基板との格子不整合を巧みに利用しています．

また，シリコンフォトニクスとして注目されているように，集積回路として高度なプロセス技術の完成したシリコンと化合物半導体の融合では，デバイスの高速化，多機能化，低価格化を求めてヘテロエピタキシーが必要とされます．さらには，金属基板上への半導体単結晶薄膜の成長や，グラファイトやシリコンなどの無機材料上の，あるいは異種有機材料上の有機分子成長も研究が進みつつあり，ヘテロエピタキシーの範疇は拡大しています．

本号では，ヘテロエピタキシー技術の進展ならびに最近の話題を紹介する小特集を企画しました．結晶工学の中でも世界をリードする分野です．高真空，高純度，精密温度制御などの要素技術の進歩に伴い，成長装置は発展しています．しかし，結晶自体は自然の一部であり，結晶成長は自然の法則に従った状態で進みます．それゆえに，構造を人工的に制御するためには，結晶の特性や成長の背景にある物理を把握した対処対応が要求されます．成長層の結晶性を向上させるための技術，材料系による共通点や相違点などを概観することにより，ヘテロエピタキシーの現状を知るとともに，結晶工学の将来像を考える機会となれば幸いです．