Formation and Characterization of Germanium Two-Dimensional Crystal on Insulating Substrate

• Project/Area Number: 19H02169
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Ohta Akio 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10553620)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2020: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2019: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: ゲルマニウム / サファイア / 極薄膜 / 二次元結晶 / 結晶化 / 電子状態 / 電子物性

Outline of Research at the Start

ゲルマネンなどゲルマニウム二次元結晶の卓越した電子物性や新機能を明らかにすることを目指す。研究の第一段階として、シリコンとゲルマニウムの化学的性質を利用し、絶縁性基板上でゲルマニウム二次元結晶を合成する方法を確立に取り組む。そして、絶縁層で挟まれた二次元結晶を作成した後、ゲルマニウム二次元結晶の電子物性を実験的に明らかにする。さらに、ゲルマニウム二次元結晶への不純物添加などによる電子物性の変調や合成技術を発展させ、新物性や新機能の発現を目指す。

Outline of Final Research Achievements

Formation of ultrathin and two-dimensional Ge crystals on sapphire substrate has been studied in this work. Sapphire(0001) substrate is one of the attracting insulating substrate from the viewpoints of surface flattening process by thermal annealing and good Ge(111) crystalline growth template due to its surface structure. Ge thin layer was deposited on sapphire(0001) by RF sputtering and crystallized by thermal annealing in N2 ambient. Effect of substrate heating during Ge deposition, solid phase and melting crystallization of Ge thin layer have been evaluated.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

微細で高性能な電子デバイスを実現する材料として、二次元結晶が期待されている。本研究ではグラフェンを構成する炭素(C)と同じ14族の元素であるゲルマニウム(Ge)において、その極薄結晶、究極的には二次元結晶を、絶縁性基板上に形成することを目的として研究を推進し、数ナノメートルのGe薄膜の固相結晶化では、結晶核生成と成長を意図した二段階の熱処理をすることが有効であることなど有意義な知見を得ることができた。

Research Products

• [Journal Article] Impact of substrate heating during Al deposition and post annealing on surface morphology, Al crystallinity, and Ge segregation in Al/Ge(111) structure (2022)
  • Author(s): Matsushita Keigo、OHTA Akio、Taoka Noriyuki、Hayashi Shohei、MAKIHARA Katsunori、MIYAZAKI Seiichi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SH Pages: SH1012-SH1012
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac5fbc
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallization of Ge Thin Films on Sapphire(0001) by Thermal Annealing (2020)
  • Author(s): Sugawa Hibiki、Ohta Akio、Kobayashi Masato、Taoka Noriyuki、Ikeda Mitsuhisa、Makihara Katsunori、Miyazaki Seiichi
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 98 Issue: 5 Pages: 505-511
  • DOI: 10.1149/09805.0505ecst
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy band diagram for SiO2/Si system as evaluated from UPS analysis under vacuum ultraviolet with variable incident photon energy (2020)
  • Author(s): A. Ohta, T. Imagawa, N. Taoka, M. Ikeda, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SA Pages: SAAC02-SAAC02
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abb75b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complex dielectric function of Si oxide as evaluated from photoemission measurements (2020)
  • Author(s): Akio Ohta, Mitsuhisa Ikeda, Katsunori Makihara, and Seiichi Miyazaki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SM Pages: SMMB04-SMMB04
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab8c99
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Al/Si(111)上に表面偏析したSiの光電子分光分析 (2022)
  • Author(s): 酒井 大希、松下 圭吾、大田 晃生、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 2022年 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 基板加熱によるAl/Ge(111)の結晶性・平坦性の制御と熱処理によるGe 表面偏析 (2022)
  • Author(s): 松下 圭吾、大田 晃生、林 将平、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理―（第27回）
• [Presentation] Impact of Substrate Heating on Surface Flattening and Ge Segregation of Al/Ge(111) (2021)
  • Author(s): K. Matsushita, A. Ohta, N. Taoka, S. Hayashi, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • Organizer: 2021 International Workshop on Dielectric Thin Films For Future Electron Devices
• [Presentation] 基板加熱がAl/Ge(111)構造の表面平坦化とGe偏析に及ぼす影響 (2021)
  • Author(s): 松下 圭吾、大田 晃生、田岡 紀之、林 将平、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Sapphire(0001)上アモルファスGe 薄膜の固相結晶化 (2021)
  • Author(s): 須川 響、大田 晃生、田岡 紀之、池田 弥央、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理―（第26回）
• [Presentation] Crystallization of Ge Thin Films on Sapphire(0001) by Thermal Annealing (2020)
  • Author(s): H. Sugawa, A. Ohta, M. Kobayashi, N. Taoka, M. Ikeda, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • Organizer: PRiME 2020 (ECS, ECSJ, & KECS Joint Meeting)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Valence Band Top of Si Surface by Vacuum Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy with Variable Incident Photon Energy (2020)
  • Author(s): A. Ohta, M. Ikeda, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • Organizer: 12th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (ISPlasma2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sapphire(0001)上にスパッタ形成したGe薄膜の結晶化 (2020)
  • Author(s): 須川 響、大田 晃生、小林 征登、田岡 紀之、池田 弥央、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] XPSによるSi系材料の複素誘電関数・光学定数の評価 (2020)
  • Author(s): 大田 晃生、田岡 紀之、池田 弥央、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理―（第25回）
• [Presentation] 光電子エネルギー損失信号によるSi系材料の複素誘電関数評価 (2020)
  • Author(s): 大田 晃生、田岡 紀之、池田 弥央、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Complex Dielectric Function of Si Oxide as Evaluated from Photoemission Measurements (2019)
  • Author(s): A. Ohta, M. Ikeda, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • Organizer: 2019 International Workshop on Dielectric Thin Films For Future Electron Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of Complex Dielectric Function of Oxide Film from Photoemission Measurements (2019)
  • Author(s): A. Ohta, M. Ikeda, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • Organizer: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2019
  • Int'l Joint Research
• [Book] ポストグラフェン材料の創製と用途開発最前線 ～二次元ナノシートの物性評価、構造解析、合成、成膜プロセス技術、応用展開～ 第3章 二次元ナノシートの成膜プロセシング技術 第4節 共晶系で生じる析出現象を応用したIV族系ナノシートの形成技術 (2020)
  • Author(s): (分担執筆) 黒澤 昌志／大田 晃生 (監修者) 柚原淳司,
  • Total Pages: 10
  • Publisher: (株)エヌ・ティー・エス
• [Book] 「光電子分光(XPS, UPS)」、 2020版薄膜作製応用ハンドブック (2020)
  • Author(s): 宮﨑誠一, 大田晃生
  • Total Pages: 14
  • Publisher: エヌ・ティー・エス