面方位混載型・歪みゲルマニウム超薄膜の創製と超高速トランジスタへの応用

• Project/Area Number: 12J04434
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied materials science/Crystal engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 黒澤 昌志 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,960,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2012: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: IV族半導体 / 低温結晶化 / ゲルマニウム / スズ / シリコン / ショット・キー障壁高さ / GeSn / 金属誘起固相成長 / レーザーアニール

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、次世代集積回路に向けた絶縁膜上におけるGe系IV族半導体の高品質形成およびデバイス実証を目標としている。本年度得られた主な成果を以下にまとめる。
(1) Geとの共晶反応する金属群（Ag、Al、Au、Sn）の中で、Geとの共晶温度が最も低いSn（共晶温度: 231℃）を用いた金属誘起結晶化法を提案し、非晶質Geの結晶化温度を500℃から150℃に低温化できることを明らかにした。加えて、本手法が非晶質Siの低温結晶化に対しても有効なことを見出した。

(2) 絶縁膜上におけるGe系IV族半導体の更なる高品質形成を目指し、被結晶化膜の極表面のみを局所的に溶融させる水中レーザ結晶化法をGeSn混晶系へと展開した。非晶質Geに2%程度のSnを添加すれば、レーザ照射時に発生するGe膜の損傷/凝集が抑制できることを発見した。強いエネルギーでのレーザ照射が可能となった結果、GeSnの結晶粒径は約0.01μm（Sn添加なし）から約1μm（Sn=2%添加）に増大した。素子サイズに匹敵する大粒径GeSnの低温・高品位形成の同時実現である。大粒径化したGeSn膜は、２軸伸張歪み（約1%）が導入されていること、比較的良好なHall正孔移動度（100 cm2/Vs）を有することも判明した。

(3) 多結晶GeSnの有用性を実証すべく、多結晶GeSnを用いて，ジャンクションレスタイプのFinFETを試作した。Finの幅17 nmの素子でドレイン電流のON/OFF比=５桁を達成した。狭バンドギャップのGeSnで、確実なオフ動作を初めて実証した重要な成果である。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effect of Sn on crystallinity and electronic property of low temperature grown polycrystalline-Si1-x-yGexSny layers on SiO2 (2015)
  • Author(s): T. Yamaha, M. Kurosawa, T. Ohmura, W. Takeuchi, N. Taoka, O. Nakatsuka, and S. Zaima
  • Journal Title: Solid State Electronics Volume: 110 Pages: 54-58
  • DOI: 10.1016/j.sse.2015.01.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent Lateral-Growth of Ge over Insulating Film by Rapid-Melting-Crystallization (2014)
  • Author(s): T. Sadoh, M. Kurosawa, K. Toko, and M. Miyao
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 557 Pages: 135-138
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2013.08.127
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Comprehensive study of Al-induced layer-exchange growth for orientation-controlled Si crystals on SiO2 substrates (2014)
  • Author(s): M. Kurosawa, T. Sadoh, and M. Miyao
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 116 Issue: 17
  • DOI: 10.1063/1.4901262
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Operation of inverter and ring oscillator of ultrathin-body poly-Ge CMOS (2014)
  • Author(s): Y. Kamata, M. Koike, E. Kurosawa, M. Kurosawa, H. Ota, O. Nakatsuka, S. Zaima, and T. Tezuka
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 7 Issue: 12 Pages: 121302-121302
  • DOI: 10.7567/apex.7.121302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large grain growth of tensile-strained Ge-rich GeSn on insulator by pulsed laser annealing in flgwing water (2014)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letter Volume: 104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reduction of Schottky Barrier Height for n-type Ge Contact by using Sn Electrode (2014)
  • Author(s): A. Suzuki, S. Asaba, J. Yokoi, K. Kato, M. Kurosawa, et al.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 53
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liquid-Sn-driven lateral growth of poly-GeSn on insulator assisted by surface oxide laver (2013)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hybrid-orientation Ge-on-insulator structures on (100) Si platform by Si micro-seed formation combined with rapid-melting growth (2012)
  • Author(s): M. Kurasawa, et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 100 Issue: 17
  • DOI: 10.1063/1.4705733
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced Interfacial-Nucleation in Al-Induced Crystallization for (111) Oriented Si_<1-x>Ge_x (0<x<1) Films on Insulating Substrates (2012)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Journal Title: ECS Journal of Solid State Science and Technology Volume: 1 Issue: 3 Pages: 144-147
  • DOI: 10.1149/2.010203jss
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-crystalline laterally-graded GeSn on insulator structures by segregation controlled rapid-melting growth (2012)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 101 Issue: 9 Pages: 091905-091905
  • DOI: 10.1063/1.4748328
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomically-coherent-coalescence of two growth-fronts in Ge stripes on insulator by rapid-melting lateral-crystallization (2012)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Journal Title: ECS Joumal of Solid State Science and Technology Volume: 2 Pages: 54-57
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GeSn多結晶薄膜の進展 ～3D-ICを目指して～ (2015)
  • Author(s): 黒澤昌志, 池上浩, 田岡紀之, 中塚理, 財満鎭明
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大（神奈川）
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • Invited
• [Presentation] Al 誘起層交換成長の物理 ～Si の面方位制御を目指して～ (2014)
  • Author(s): 黒澤昌志, 佐道泰造, 宮尾正信
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大（北海道）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Si1-xSnx薄膜におけるバンドギャップナローウィングの初観測 (2014)
  • Author(s): 黒澤昌志, 柴山茂久, 加藤元太, 山羽隆, 坂下満男, 竹内和歌奈, 中塚理, 財満鎭明
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大（北海道）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] 絶縁膜上における IV 族半導体の低温形成 ～低融点 Sn の活用～ (2014)
  • Author(s): 黒澤昌志, 田岡紀之, 池上浩, 竹内和歌奈, 坂下満男, 中塚理, 財満鎭明
  • Organizer: 電子情報通信学会 シリコン材料・デバイス(SDM)研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大（愛知）
  • Year and Date: 2014-06-19
  • Invited
• [Presentation] 水中レーザ結晶化によるpoly-GeSnの大粒径成長とデバイス応用 (2014)
  • Author(s): 黒澤昌志ら
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大(神奈川)
  • Year and Date: 2014-03-19
• [Presentation] 液相SnへのGe優先溶融を利用したSiGeSn薄膜の極低温エピタキシャル成長 (2014)
  • Author(s): 加藤元太, 黒澤昌志, 山羽隆, 田岡紀之, 中塚理, 財満鎭明
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大(神奈川)
  • Year and Date: 2014-03-19
• [Presentation] Si添加によるSnドット化抑制と層交換成長への応用 (2014)
  • Author(s): 黒澤昌志ら
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大(神奈川)
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] Sn-assisted low temperature crystallization of polycrystalline Ge_<1-x>Sn_x thin-films on insulating surfaces (2014)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Organizer: 7th International WorkShop on New Group IVSemiconductor Nanoelectronics
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2014-01-28
• [Presentation] Large grain growth of poly-GeSn on insulator by pulsed laser annealing in water (2013)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials 2013 (SSDM2013)
  • Place of Presentation: Fukuoka (Japan)
  • Year and Date: 2013-09-26
• [Presentation] Hybrid-Formation of Single-Crystalline Ge(Si, Sn)-on-Insulator Structures by Self-Organized Melting-Growth (2013)
  • Author(s): M. Miyao, R. Matsumura, M. Kurosawa, K. Toko, T. Sadoh
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials 2013 (SSDM2013)
  • Place of Presentation: Fukuoka (Japan)
  • Year and Date: 2013-09-25
  • Invited
• [Presentation] Sn/n型Geコンタクトにおけるショットキー障壁高さの低減 (2013)
  • Author(s): 鈴木陽洋, 朝羽俊介, 横井淳, 中塚理, 黒澤昌志, 坂下満男, 田岡紀之, 財満鎭明
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大(京都)
  • Year and Date: 2013-09-20
• [Presentation] 過飽和状態制御による多結晶Si_<1-x>Sn_x/絶縁膜の大粒径成長 (2013)
  • Author(s): 黒澤口志ら
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大(京都)
  • Year and Date: 2013-09-18
• [Presentation] Coherent Lateral-Growth of Ge over Insulating Film by Rapid-Melting-Crystallization (2013)
  • Author(s): T. Sadoh, M. Kurosawa, K. Toko, and, M. Miyao
  • Organizer: 8th Intemational Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructres (ICSI-8)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2013-06-04
• [Presentation] Lateral Growth Enhancement of Poly-Ge_<1-x>Sn_x on SiO_2 using a Eutectic Reaction (2013)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Organizer: 8th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-8)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2013-06-03
• [Presentation] 水中レーザーアニール法による多結晶Ge_<1-x>Sn_x薄膜の低温形成 (2013)
  • Author(s): 黒澤昌志, ら
  • Organizer: 2013年 第60回応用物理学会 春季学術講演会【シンポジウム講演】
  • Place of Presentation: 神奈川工大(神奈川)
  • Year and Date: 2013-03-29
• [Presentation] Si_<1-x>Ge_x/絶縁膜(x:0～1)の金属触媒成長-成長低温化と結晶方位制御- (2013)
  • Author(s): 佐道泰造, バク・ジョンヒョク, 黒澤昌志, 都甲薫, 宮尾正信
  • Organizer: 2013年 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工大(神奈川)(招待講演)
  • Year and Date: 2013-03-29
• [Presentation] Ge_<1-x>Sn_xヘテロエピタキシャル成長に与える基板面方位効果 (2013)
  • Author(s): 黒澤昌志, ら
  • Organizer: 2013年 第60回応用物理学会 春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工大(神奈川)
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Low temperature crystallization of group-IV semiconductors induced by eutectic metals (Al, Sn) (2013)
  • Author(s): M. Kurosawa, et al.
  • Organizer: 6th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • Place of Presentation: Sendai, Japanr
  • Year and Date: 2013-02-23
• [Presentation] Feasibility of Ge Device Fabrication by Low Temperature Processes on ULSI Circuits (2013)
  • Author(s): N. Taoka, M. Kurosawa, K. Kato, S. Shibayama, M. Sakashita, O. Nakatsuka, S. Zaima
  • Organizer: 6th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • Place of Presentation: Sendai, Japan(招待講演)
  • Year and Date: 2013-02-23
• [Presentation] Sn誘起横方向成長法によるGe_<1-x>Sn_x/SiO_2構造の低温形成 (2012)
  • Author(s): 黒澤昌志, ら
  • Organizer: 第12回 日本表面科学会中部支部学術講演会【講演奨励賞】
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-12-22
• [Presentation] 次世代フレキシブルデバイス実現に向けた絶縁膜上GeSn薄膜の低温結晶成長 (2012)
  • Author(s): 黒澤昌志, ら
  • Organizer: 2012年応用物理学会結晶工学分科会 第1回結晶工学未来塾【講演奨励賞】
  • Place of Presentation: 学習院大(東京)
  • Year and Date: 2012-11-08
• [Presentation] Hybrid-Fomation of Ge-on-Insulator Structures on Si Platform by SiGe-Mixing-Triggered Rapid-Melting Growth --- A Road to Artificial Crystal --- (2012)
  • Author(s): M. Miyao, M. Kurosawa, K. Toko, T. Sadoh
  • Organizer: 222th Electrochemical Society (ECS) Meeting
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2012-10-09
• [Presentation] Sn触媒を用いた非晶質Ge薄膜/絶縁膜の低温成長 (2012)
  • Author(s): 黒澤昌志, ら
  • Organizer: 2012年秋季 第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大(愛媛)
  • Year and Date: 2012-09-12
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体結晶の製造方法、半導体結晶および半導体デバイス (2014)
  • Inventor(s): 黒澤昌志, 中塚理, 田岡紀之, 坂下満男, 財満鎭明
  • Industrial Property Rights Holder: 名古屋大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2014-02-20
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体結晶,その製造方法,及び多層膜構造体 (2013)
  • Inventor(s): 黒澤昌志, 田岡紀之, 坂下満男, 中塚理, 財満鎭明
  • Industrial Property Rights Holder: 名古屋大学
  • Industrial Property Number: 2013-024605
  • Filing Date: 2013-02-12
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体薄膜の形成方法 (2013)
  • Inventor(s): 黒澤昌志, 田岡紀之, 中塚理, 財満鎭明, 池上浩
  • Industrial Property Rights Holder: 名古屋大学,九州大学,ギガフォトン株式会社
  • Industrial Property Number: 2013-042775
  • Filing Date: 2013-03-08