SiGe系材料は、高度に発達したSi集積回路技術と整合性が優れることと、またヘテロ構造の導入により既存デバイスの高性能化及び新機能デバイスの実現が期待されるため、近年幅広く研究されている。そして分子線エピタキシー(MBE)を中心とする薄膜成長技術の進歩により、量子井戸や超格子など様々な量子構造が作製可能になり、間接遷移型半導体にもかかわらず発光が観測されるようになっている。そのため、光学材料としての応用が期待されている。このような技術的な応用面たけでなく物理的な研究面から見ても、歪み系であるSiGe系は非常に興味深い材料系である。歪みは、バンドオフセットの変調などバンドエンジニアリングの重要な要素になる。また、結晶成長面からみても、歪み系の特有な自己形成の島状成長(Stranski-Krastanov(SK)成長モード)により、ゼロ次元構造の作製とその物性研究が可能である。自己形成した島は、島そのものからの発光たけではなく、島の形成に伴う歪み場の誘起に対しても関心が持たれている。島の形成で誘起される歪み場は、2次元構造では得られない空間的に非均質歪み場を生成するため、ゼロ次元としての量子ドットを形成させる新しい方法として注目されている。本論文では、SiGe系材料で、誘起可能な非均質歪みの特性と、これを制御する方法を調べることで、自己形成したGeドット構造に注目し、SiGeヘテロ構造内にこのドットが誘起する非均質歪み場の特性を調べた。非均質歪みで生成された量子構造が他の材料系とは異なる性質を持つことを明らかにすると共に、ストレッサー効果を制御するために、ドットの大きさと形成位置を選択成長法を用いて作製することを試みた。SK成長モードと選択成長法を結合することにより、リソグラフィー解像度の寸法を凌駕する量子構造が作製できることを見い出した。また、このドット構造を量子ドット構造への応用をめざしての発光特性を調べた。そして、このように選択成長法を用いて、量子井戸上に引っ張りストレッサーと圧縮ストレッサーを各々作製して、歪みの方向性による非均質歪みの制御にについて検討した。

　本論文は『SiGe/Si歪ヘテロ構造におけるGeドットの作製とその物性』と題し、SiGe系ヘテロ構造内の非均質歪みの特性を明らかにする目的で、主にGeドットを不均一歪みを生ぜしめるストレッサーとして利用し、そのドットが誘起する歪みによる様々な量子構造の性質を詳細に調べた結果であり、五章から構成されている.

　第1章は緒論であり、本研究の背景と目的、そして本論文の構成について述べている.背景では、SiGe系が半導体材料として注目されている理由を、Siデバイスの高速化と物性の面から叙述しながら、最近の重要な研究結果を簡単に紹介している.次に、本研究の主題であるGeドットに関する研究の意義を述べ、従来の研究結果、特に、自己形成ドットに伴う歪み場の誘起する半導体量子構造の特性を説明し、本研究の目的を述べている.

　第2章では、今まで報告された半導体ヘテロ構造におけるストレッサー効果を簡単に述べたあと、自己形成したGeドットのストレッサー効果について叙述する.自己形成したGeドットのストレッサー効果によって、下部構造に不均一歪み場が発生し、量子井戸構造内にラテラルバンドギャップ変調が起こることを、発光特性と原子間力顕微鏡による表面観察で調べている.また、ストレッサー効果の伝播特性を調べるために、Ge層の膜厚を固定してSiスペーサの厚みを変化させた場合と、SiGe量子井戸のGe組成も変化させた場合の発光特性を調べている.注目すべき成果は、Geドットのストレッサー効果によって、SiGe量子井戸内に形成する量子構造は他の材料系と異なる形態になること、ドットの間の不均一歪み場の相互作用が存在することを見い出したことである.

　第3章では、選択成長法でドットの成長位置とサイズを制御することと、その光学特性を調べた結果について述べている.Geヘテロ選択成長の場合、Siホモ選択成長の場合と大きく異なり、パターンサイズに依存して、選択領域内に形成されるGeドットの数とサイズが変化する結果が得られている.これは、選択領域内に吸着した原子のみ成長に寄与すること、これらの原子がSKモードで成長することに起因していると考察している.この結果はSKモードと選択成長を組み合わせることにより、リソグラフィーの解像度寸法よりもさらに小さな量子構造が作製可能であることを示している.次に、このように制御して作製したGeドット構造の光学特性を、主としてフォトルミネッセンス測定から調べている.パターニングされない基板上のGeドットからは半値幅が広い一つのピークのみ観測されるのに対して、パターン基板上のGeドットからは二つのピークが観測されている.これは制御したドットのサイズの均一性が向上したことを反映している.また、ドットのサイズの変化によって、発光ピークがエネルギーシフトすることを見い出している.これは、ドットの高さの変化による量子閉じ込めエネルギーの変化と、ドット内の歪みの緩和で、バンドギャップが変化することの、相乗効果として説明がなされている.

　第4章では、選択成長法により制御して作製したドットを、ストレッサーに適用した結果について叙述する.まず、引っ張りストレッサーとしてGeドットを用いた結果と、圧縮ストレッサーとしてSiドットを用いた結果について議論している.注目すべき結果は、ストレッサーの歪み性に従って、量子井戸内に形成する量子構造の形態が変化することである.即ち、引っ張りストレッサーの場合はドナーツ状に、圧縮ストレッサーの場合はドット状に、量子構造が形成されることをはじめて見い出している.次に、第2章で予測されたドット間の歪みの相互作用を、ドット間の距離を選択成長により系統的に変化させて調べ、その存在を確認している.

　第5章は本研究のまとめである.SiGe/Siヘテロ構造上に自己形成したGeドットのストレッサー効果で生成された量子構造が、他の材料系とは異なる性質を持つこと、ストレッサー効果を制御するために、ドットのサイズと形成位置を選択成長法を用いて制御し、リソグラフィー解像度の寸法より小さいドットが作製できることを見い出し、今後の量子ドットの研究開発に極めて有用な結果を得たことを、総括的にまとめている.

　以上をまとめると、本論文では、Geドットによる不均一歪みを利用して新しい量子構造を実現すると共に、量子ドットの基本物性を明らかにし、さらに応用に関する指針を得ており、半導体研究への寄与が非常に大きい.よって本論文は博士(工学)の学位論文として合格と認められる.