早大学位記番号:新8281早稲田大

Elamir Ahmed ahmed mohamed elsayed

Welsh

早稲田大学博士(工学)早大学位記番号:新8281doctoral thesi

エラミール, アハメド アハメド モハメド エルサイド

95686

Elamir, Ahmed ahmed mohamed elsayed

Waseda University Repository

早稲田大学大学院 先進理工学研究科     博士論文審査報告書          論  文  題  目    Narrow-gap semiconductor single crystals for short wavelength infrared sensors         申  請  者 Ahmed ahmed  mohamed elsayed ELAMIR ｴﾗﾐｰﾙ ｱﾊﾒﾄﾞ ｱﾊﾒﾄﾞ ﾓﾊﾒﾄﾞ ｴﾙｻｲﾄﾞ     ナノ理工学専攻 ナノ結晶化学研究       2019 年 7 月  1  近 赤 外 線 セ ン サ ー は 可 視 光 の 少 な い 暗 闇 で 鮮 明 な 画 像 を 成 し 得 る た め 、肉眼 で は 困 難 な 物 体 の 検 知 、 防 犯 な ど 、 安 全 ・ 安 心 な 社 会 の 実 現 に 有 効 な 技 術と し て 近 年 期 待 を 集 め 始 め て い る 。 本 研 究 で は 、 近 赤 外 線 セ ン サ ー に 適 す る半 導 体 単 結 晶 を 検 討 し 、 そ の 有 用 性 を 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し て い る 。具 体 的 に は M g 2 S i、並 び に そ の G e 置 換 体 に 着 目 し 、単 結 晶 成 長 、半 導 体 基 礎物 性 の 評 価 、 電 極 の 検 討 、 セ ン サ ー の 試 作 と そ の 光 応 答 性 に つ い て ま と め てい る 。  第 一 章 で は 、 こ れ ま で の 近 赤 外 線 セ ン サ ー 、 半 導 体 材 料 の 概 説 を 行 い 、 本研 究 の 位 置 づ け と 意 義 に つ い て 示 し て い る 。  第 二 章 で は 、 実 験 方 法 の 詳 細 を ま と め て い る 。  第 三 章 か ら 第 四 章 に お い て は M g 2 S i と そ の G e 置 換 体 の バ ル ク 単 結 晶 、 第五 章 に お い て は M g 2 S i の 薄 膜 結 晶 に 関 し 、そ れ ぞ れ 単 結 晶 成 長 か ら 評 価 に つい て 述 べ て い る 。  第 三 章 で は M g 2 S i に つ い て 述 べ て い る 。ブ リ ッ ジ マ ン 法 を 用 い 、る つ ぼ 材と し て パ イ ロ リ テ ィ ッ ク グ ラ フ ァ イ ト 、 原 料 と し て ５ N の 純 度 を 持 つ M g を選 択 し 、 品 質 の 高 い n 型 M g 2 S i バ ル ク 単 結 晶 が 得 ら れ る こ と を 示 し て い る 。物 性 測 定 の 結 果 、 成 長 結 晶 の 室 温 に お け る ホ ー ル 測 定 で の 電 子 移 動 度 （ 4 4 6  c m 2 / V s） が 従 来 の 報 告 値 （ 3 8 0  c m 2 / V s） よ り も 高 い こ と を 示 し て い る 。 従 来Ag が O h mi c 電 極 と し て 報 告 さ れ て い る が 、同 じ Ag で も O h m i c 性 の 向 上 が 可能 で あ る こ と が 確 認 さ れ て い る 。 こ れ は 研 磨 剤 を 従 来 の 無 水 シ リ カ か ら オ イル 基 ダ イ ヤ モ ン ド に 変 え る こ と で 、 M g 2 S i 表 面 近 傍 の 残 留 酸 素 を 低 減 す る こと に よ り 得 ら れ る と 示 さ れ て い る 。更 に 、新 し い O h m i c 電 極 と し て 、接 触 抵抗 が A g よ り も 小 さ い Ti と A l、 特 に A l が 最 も 優 れ た O h mi c 電 極 と し て 提 案さ れ て い る 。A g を M g 2 S i 単 結 晶 基 板 上 で 高 速 熱 処 理 に よ り 分 散 す る こ と で p型 相 を 得 、 p n 接 合 を 形 成 し 、 A g、 A u を そ れ ぞ れ n 型 相 、 p 型 相 の O h m i c 電極 と し た フ ォ ト ダ イ オ ー ド を 作 製 し 、整 流 比 が 従 来 の 報 告（ 7 : 1）よ り 大 幅 に向 上 （ 4 6 : 1） す る だ け で な く 、 光 応 答 性 も 大 幅 に 向 上 す る こ と を 確 認 し て いる 。O h mi c 電 極 と し て Al を 用 い る こ と で 、更 に 高 い 光 応 答 性 が 得 ら れ る こ とも 示 し て い る 。こ の よ う に M g 2 S i の 単 結 晶 成 長 、物 性 の 詳 細 が 明 ら か に さ れ 、品 質 向 上 、 近 赤 外 線 セ ン サ ー と し て の 特 性 向 上 が 可 能 で あ る の み で な く 、 従来 用 い ら れ る 近 赤 外 線 セ ン サ ー 用 半 導 体 材 料 と 比 較 し 、 環 境 負 荷 の 小 さ い 元素 の み で 構 成 さ れ る こ と を 含 め 、 今 後 、 材 料 、 セ ン サ ー と し て の 波 及 効 果 が期 待 さ れ る 。  第 四 章 で は M g 2 S i の S i を Ge で 置 換 し た M g 2 G e 、 並 び に 混 晶 で あ る2  M g 2 S i 0 . 5 3 G e 0 . 4 7 の バ ル ク 単 結 晶 に つ い て 述 べ て い る 。こ れ ら の 単 結 晶 が M g 2 S iと 同 じ 条 件 で 作 製 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ て い る 。 基 礎 物 性 を 測 定 し 、 G eで 置 換 す る こ と に よ り 、 M g 2 S i と 比 較 し て 、 キ ャ リ ア 密 度 が 大 き く 、 電 子 移動 度 が 小 さ く な る 傾 向 が あ り 、 キ ャ リ ア 密 度 に お い て は M g 2 S i 0 . 5 3 G e 0 . 4 7 が 最も 高 い 値 を 示 す こ と が 確 認 さ れ て い る 。 M g 2 S i と 同 様 、 単 結 晶 基 板 上 に Agを 高 速 熱 処 理 で 分 散 す る こ と に よ り p 型 相 を 得 る こ と が で き 、p n 接 合 を 形 成し た 。 そ の 後 A g、 A u を そ れ ぞ れ n 型 相 、 p 型 相 の O h mi c 電 極 と し た フ ォ トダ イ オ ー ド を 作 製 し 、M g 2 G e、M g 2 S i 0 . 5 3 G e 0 . 4 7、そ れ ぞ れ の 整 流 比 が 1 5 : 1、6 : 1と な る こ と が 確 認 さ れ て い る 。 光 応 答 性 も 測 定 さ れ て お り 、 両 者 と も M g 2 S iと 比 べ て 低 い 応 答 性 、 中 で も M g 2 S i 0 . 5 3 G e 0 . 4 7 が 最 も 低 い 応 答 性 を 示 す こ と が確 認 さ れ て い る 。こ の よ う に 、M g 2 S i を G e で 置 換 す る こ と に よ り 得 ら れ る 効果 が 明 ら か に な っ た こ と は 、 学 術 的 な 意 義 が 大 き い と 評 価 で き る 。  第 五 章 で は ス パ ッ タ 法 に よ り 作 製 し た M g 2 S i 薄 膜 に つ い て 述 べ て い る 。基板 と し て は p 型 S i 単 結 晶 と ガ ラ ス が 用 い ら れ て い る 。 p 型 S i 単 結 晶 は p n 接合 の p 型 相 と し て 、 ガ ラ ス は 膜 の 電 気 特 性 を 測 定 す る た め の 絶 縁 基 板 と し て選 択 さ れ て い る 。マ グ ネ ト ロ ン ス パ ッ タ 装 置 で M g と S i を ス パ ッ タ し 、高 速熱 処 理 を 施 す こ と で M g 2 S i 単 相 の 結 晶 性 薄 膜 が 得 ら れ る こ と が 示 さ れ て い る 。表 面 観 察 の 結 果 、 M g 2 S i 単 相 結 晶 の 集 合 体 で あ る こ と が 見 出 さ れ て い る 。 薄膜 の キ ャ リ ア 密 度（ 2 . 6 x 1 0 1 6  c m - 3）は M g 2 S i バ ル ク 単 結 晶（ 1 . 5 x 1 0 1 6  c m - 3）とほ ぼ 同 程 度 で あ る が 、電 子 移 動 度 が か な り 小 さ い（ 2 9  c m 2 / V s）こ と が 確 認 され て い る 。 こ れ は こ の 薄 膜 が 単 相 結 晶 の 集 合 体 で あ る た め で あ る と 説 明 さ れて い る 。 M g 2 S i 結 晶 性 薄 膜 を n 型 相 、 p 型 S i 基 板 を p 型 相 と す る p n 接 合 に 、A g、 Au を そ れ ぞ れ O h mi c 電 極 と し て 形 成 し た フ ォ ト ダ イ オ ー ド を 作 製 し 、光 応 答 性 を 測 定 し た 結 果 、市 販 の S i - P I N ダ イ オ ー ド の 特 性 を 僅 か で あ る が 上回 る こ と が 示 さ れ て い る 。こ の よ う に M g 2 S i は バ ル ク 単 結 晶 の み で な く 、スパ ッ タ 法 と 高 速 熱 処 理 の み の 簡 便 な 手 法 に よ り 単 相 の 結 晶 性 薄 膜 が 得 ら れ 、か つ そ の セ ン サ ー と し て の 潜 在 的 な 高 い 可 能 性 が 示 さ れ た こ と は 、 学 術 的 、工 学 的 に 価 値 が あ り 、 今 後 の 波 及 効 果 も 期 待 さ れ る 。  第 六 章 で は 、 第 三 章 か ら 第 五 章 で 得 ら れ た 研 究 成 果 を 総 括 し て い る 。  以 上 の 成 果 は 、M g 2 S i と そ の G e 置 換 体 の 単 結 晶 成 長 、そ れ ら の 特 性 を 体 系的 に ま と め 、 近 赤 外 線 セ ン サ ー に 有 用 で あ る と 期 待 さ れ る 新 し い 半 導 体 材 料を 提 案 し て い る も の で あ り 、 学 術 的 及 び 工 学 的 に 価 値 が 高 い 。 よ っ て 、 本 論文 は 博 士 （ 工 学 ） の 論 文 と し て 相 応 し い も の と 認 め る 。   3  2 0 1 9 年 7 月   審 査 員  主 査  早 稲 田 大 学 客 員 教 授  博 士 (理 学 ) 東 北 大 学  島 村 清 史        早 稲 田 大 学 教 授  博 士 (理 学 ) 早 稲 田 大 学   朝 日 透        早 稲 田 大 学 教 授  工 学 博 士  早 稲 田 大 学    川 原 田 洋        早 稲 田 大 学 教 授  博 士 (工 学 ) 早 稲 田 大 学   渡 邉 孝 信       学 外 審 査 員  物 質 ・ 材 料 研 究 機 構  グ ル ー プ リ ー ダ ー                   博 士 (理 学 ) 早 稲 田 大 学   長 尾 忠 昭      

Narrow-gap semiconductor single crystals for short wavelength infrared sensors

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短波長赤外線センサ用狭ギャップ半導体単結晶

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