光電子集積回路に向けた高移動度ＧｅＳｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒトランジスタ技術

• Project/Area Number: 16J00819
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 岡 博史 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000); Fiscal Year 2017: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2016: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: ゲルマニウムスズ / 光電子集積 / 石英基板 / 溶融結晶化 / センサーアレイ / 近赤外 / GeSn-on-insulator / 薄膜トランジスタ

Outline of Annual Research Achievements

昨年度は局所溶融成長技術を用いて石英基板上に高品質な引張歪み単結晶GeSn細線を形成し、薄膜トランジスタおよび発光ダイオードの試作を通してその優れた光・電子物性を実証した。当該年度では研究計画に従い、光電子デバイス集積化に向けたGeSn溶融結晶化技術の高度化を検討し、以下の成果を得た。
局所溶融成長技術ではアモルファスGeSn細線の局所加熱による細線内での温度勾配形成を必要とするため、大面積結晶化およびデバイス集積化には課題がある。そこで本研究ではレーザースキャンアニールによる横方向溶融結晶化を検討し、石英基板上GeSnアレイの大面積単結晶成長に成功した。フォトルミネッセンス測定よりSn添加と引張歪み印加による直接遷移バンドギャップ縮小に起因したレッドシフトと発光強度の顕著な増大を確認し、液相成長GeSnの近赤外光学材料としての有用性を示した。
次に、石英基板上でGeSn CMOS回路と一体形成可能な近赤外センサーアレイ開発に取り組んだ。当該技術により形成した石英基板上p型GeSn細線にPイオン注入を行うことで、GeSn n+/p接合フォトダイオードアレイを作製した。石英は赤外線に対して透明であることから裏面照射による高感度近赤外光検出に成功し、波長1.55 umにおいて受光感度が約1.3 A/Wと100%近い量子効率が得られた。さらに波長2 umにおいても明瞭な光応答を観測し、近赤外帯域に高い感度をもつGeSnセンサーアレイを実証した。
以上の結果は半導体光・電子デバイス分野で代表的な国際会議である2017 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)に採択されており、またTechnical Highlight Paperに選出されるなど高い外部評価を受けた。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Lightly doped n-type tensile-strained single-crystalline GeSn-on-insulator structures formed by lateral liquid-phase crystallization (2018)
  • Author(s): H. Oka, T. Tomita, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 11 Issue: 1 Pages: 011304-011304
  • DOI: 10.7567/apex.11.011304
  • NAID: 210000136058
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of tensile-strained single-crystalline GeSn on transparent substrate by nucleation-controlled liquid-phase crystallization (2017)
  • Author(s): H. Oka, T. Amamoto, M. Koyama, Y. Imai, S. Kimura, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 110 Issue: 3 Pages: 032104-032104
  • DOI: 10.1063/1.4974473
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] High-mobility TFT and enhanced luminescence utilizing nucleation-controlled GeSn growth on transparent substrate for monolithic optoelectronic integration (2018)
  • Author(s): H. Oka, M. Koyama, T. Tomita, T. Amamoto, K. Tominaga, S. Tanaka, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Organizer: 第17回関西コロキアム電子デバイスワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 裏面照射型近赤外イメージセンサーに向けた石英基板上単結晶GeSnフォトダイオードアレイの開発 (2018)
  • Author(s): 岡 博史, 井上 慶太郎, Thi Thuy Nguyen, 黒木 伸一郎, 細井 卓治, 志村 考功, 渡部 平司
  • Organizer: 映像情報メディア学会情報センシング研究会
• [Presentation] レーザー溶融結晶化による石英基板上引張歪み単結晶GeSnアレイの作製 (2018)
  • Author(s): 岡 博史, 黒木 伸一郎, 細井 卓治, 志村 考功, 渡部 平司
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 裏面照射型石英基板上GeSnフォトダイオードの近赤外受光特性評価 (2018)
  • Author(s): 岡 博史, 細井 卓治, 志村 考功, 渡部 平司
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 横方向液相成長によるSbドープ単結晶GeSn nチャネルTFT (2017)
  • Author(s): 岡 博史, 冨田 崇史, 細井 卓治, 志村 考功, 渡部 平司
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Enhancement-Mode N-Channel TFT and Room-Temperature Near-Infrared Emission Based on n+/p Junction in Single-Crystalline GeSn on Transparent Substrate (2017)
  • Author(s): H. Oka, M. Koyama, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Organizer: Symposium on VLSI Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 透明基板上単結晶GeSn n+/p接合フォトダイオードの作製と評価 (2017)
  • Author(s): 岡 博史, 井上 慶太郎, 冨田 崇史, 和田 裕希, 細井 卓治, 志村 考功, 渡部 平司
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Single-Crystalline GeSn Formation on Transparent Substrate and its Optoelectronic Applications (2017)
  • Author(s): T. Hosoi, H. Oka, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Organizer: The 15th International Conference on Advanced Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Back-side Illuminated GeSn Photodiode Array on Quartz Substrate Fabricated by Laser-induced Liquid-phase Crystallization for Monolithically-integrated NIR Imager Chip (2017)
  • Author(s): H. Oka, K. Inoue, T. T. Nguyen, S. Kuroki, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Organizer: IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-mobility TFT and Enhanced Luminescence Utilizing Nucleation-controlled GeSn Growth on Transparent substrate for Monolithic Optoelectronic Integration (2016)
  • Author(s): H. Oka, M. Koyama, T. Tomita, T. Amamoto, K. Tominaga, S. Tanaka, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Organizer: IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
  • Place of Presentation: San Francisco, CA, USA
  • Year and Date: 2016-12-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-mobility GeSn p-MOSFETs on Transparent Substrate Utilizing Nucleation-controlled Liquid-phase Crystallization (2016)
  • Author(s): H. Oka, T. Amamoto, T. Hosoi, T. Shimura, and H. Watanabe
  • Organizer: IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • Place of Presentation: Honolulu, HI, USA
  • Year and Date: 2016-06-12
  • Int'l Joint Research