Energy band design based on controlling ordered/disordered structure of non-thermal equilibrium group-IV alloy thin films

• Project/Area Number: 21H01809
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Nakatsuka Osamu 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20334998)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
• Keywords: Ⅳ族半導体 / エピタキシャル成長 / エネルギーバンド / 界面 / ゲルマニウム錫 / 結晶成長 / 薄膜 / Ⅳ族半導

Outline of Research at the Start

本研究では、一般的な熱平衡状態では存在し得ない非平衡的な規則系あるいは不規則系の新奇超高Sn組成IV族混晶薄膜を創製し、その電子物性の解明・制御に基づいて、新世代の電子・光電・熱電デバイス発展に資する物質科学・材料工学・プロセス工学基盤の構築を目指す。Sn組成50%に達する超高Sn組成GeSnあるいはSiSn薄膜の創製、およびその結晶・電子物性の解明を進め、デバイス省電力化・信号検出感度向上・集積回路の多機能化などの次世代ナノエレクトロニクスの発展に資する、新奇IV族混晶半導体薄膜の物質科学の深耕を図る。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have developed the growth technology of Sn-based group-IV alloy thin films to create novel non-thermal-equilibrium ultra-high Sn-content group-IV alloys that cannot exist in natural thermal equilibrium conditions. We have demonstrated the formation of ultra high-Sn-content GeSn epitaxial layers with Sn contents of 25-50% and a thicknesses of 10-100 nm using InP and GaSb substrates those have lattice constants larger than Ge. In addition, photoluminescence measurements revealed the photoelectric conversion properties of GeSn/GeSiSn stacked structures and multilayered GeSn nanodots/SiO2 structures.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究によって、自然界には存在しない平衡固溶限界を数十倍超えて、デバイス応用にも期待できる実効的な膜厚を有する超高Sn組成IV族混晶の創製が達成された。この新奇のIV族混晶は特異なエネルギーバンド構造、電子・光電・熱電物性を有する可能性があり、またもし閃亜鉛鉱型のような規則系の結晶構造が優先的に形成される場合は、擬平衡的な安定性も有している可能性がある。今後、これらの特性がさらに解明されれば、新世代の半導体集積エレクトロニクスにも貢献する波及的応用も期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Brandenburg University of Technology(ドイツ)
• [Journal Article] Ge1-xSnx layers with x~0.25 on InP(001) substrate grown by low-temperature molecular beam epitaxy reaching 70°C and in-situ Sb doping (2024)
  • Author(s): Shibayama Shigehisa、Takagi Komei、Sakashita Mitsuo、Kurosawa Masashi、Nakatsuka Osamu
  • Journal Title: Materials Science in Semiconductor Processing Volume: 176 Pages: 108302-108302
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2024.108302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-situ Sb ドーピングによるInP上n型Ge0.75Sn0.25エピタキシャル膜の形成 (2024)
  • Author(s): 柴山茂久，高木孝明，坂下満男，黒澤昌志，中塚理
  • Journal Title: 第29回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―予稿集 Volume: 1 Pages: 12-12
• [Journal Article] Lattice-matched growth of high-Sn-content (x~0.1) Si1-xSnx layers on S1-yGey buffers using molecular beam epitaxy (2023)
  • Author(s): Fujimoto Kazuaki、Kurosawa Masashi、Shibayama Shigehisa、Sakashita Mitsuo、Nakatsuka Osamu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 4 Pages: 045501-045501
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acc3da
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-organized Ge1-xSnx quantum dots formed on insulators and their room temperature photoluminescence (2023)
  • Author(s): Hashimoto Kaoru, Shibayama Shigehisa, Asaka Koji, Sakashita Mitsuo, Kurosawa Masashi, Nakatsuka Osamu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 7 Pages: 075506-075506
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ace5f9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystalline and optoelectronic properties of Ge1-xSnx/high-Si-content-SiyGe1-x-ySnx double-quantum wells grown with low-temperature molecular beam epitaxy (2023)
  • Author(s): S. Zhang, S. Shibayama, and O. Nakatsuka
  • Journal Title: Semiconductor Science and Technology Volume: 38 Issue: 1 Pages: 015018-015018
  • DOI: 10.1088/1361-6641/aca7d9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 多層量子ドット構造実現に向けた絶縁体上へのGe1-xSnxナノドットの自己形成 (2022)
  • Author(s): 橋本薫, 柴山茂久, 安坂幸師, 中塚理
  • Journal Title: 信学技報 IEICE Technical Report Volume: 84 Pages: 5-8
• [Journal Article] Interface structures and electrical properties of micro-fabricated epitaxial Hf-digermanide/n-Ge(001) contacts (2022)
  • Author(s): K. Kasahara, K. Senga, M. Sakashita, S. Shibayama, and O. Nakatsuka
  • Journal Title: IEEE Journal of the Electron Devices Society Volume: 10 Pages: 744-750
  • DOI: 10.1109/jeds.2021.3139728
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoluminescence properties of heavily Sb doped Ge1－xSnx and heterostructure design favorable for n+-Ge1－xSnx active layer (2022)
  • Author(s): S. Zhang, M. Fukuda, J. Jeon, M. Sakashita, S. Shibayama, and O. Nakatsuka
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 61 Issue: SA Pages: SA1004-SA1004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac25da
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 極薄GeSiSn/GeSn/GeSiSn二重障壁構造の形成およびその電気的特性 (2022)
  • Author(s): 柴山茂久, G. R. Suwito, 中塚理
  • Journal Title: 応用物理学会 薄膜・表面物理分科会／シリコンテクノロジー分科会 共催 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- 特別研究会研究報告 Volume: 第27回研究会 Pages: 187-190
• [Presentation] In-situ SbドーピングによるInP上n型Ge0.75Sn0.25エピタキシャル膜の形成 (2024)
  • Author(s): 柴山茂久, 高木孝明, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 応用物理学会 薄膜・表面物理分科会・シリコンテクノロジー分科会共催特別研究会「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29回）
• [Presentation] Al/GeSn(111)構造上への熱処理による極薄・高Sn組成GeSn表面偏析 (2024)
  • Author(s): 柴山茂久, 松本泰河, 大田晃生, 横川凌, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚 理
  • Organizer: 応用物理学会 薄膜・表面物理分科会・シリコンテクノロジー分科会共催特別研究会「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29回）
• [Presentation] In-situ Sbドーピングによるn型Ge0.75Sn0.25エピタキシャル層の形成 (2024)
  • Author(s): 柴山茂久, 高木孝明, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Epitaxy and heterostructure of germanium tin-related group-IV alloy semiconductors for future electronic and optoelectronic applications (2023)
  • Author(s): O. Nakatsuka, M. Kurosawa, S. Shibayama, and M. Sakashita
  • Organizer: 2023 International Conference on Semiconductor Technology for Ultra Large Scale Integrated Circuits and Thin Film Transistors (ULSIC VS TFT 8)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Heteroepitaxial Growth of High Substitutional Sn-content Ge1-xSnx Layer Lattice-matched on InP Substrate (2023)
  • Author(s): O. Nakatsuka, K. Takagi, S. Shibayama, M. Kurosawa, and M. Sakashita
  • Organizer: International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures International SiGe Technology and Device Meeting (ICSI-ISTDM 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seed-layer driven solid phase epitaxy of amorphous Ge1-xSnx layers on Si(001) substrates toward in-plane strain control (2023)
  • Author(s): T. Hiraide, M. Kurosawa, S. Shibayama, M. Sakashita, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optoelectronic properties of Ge1-xSnx/high-Si-content SiyGe1-y-zSnz double quantum wells formed by low-temperature MBE growth and post deposition annealing (2023)
  • Author(s): S. Shibayama, S. Zhang, M. Sakashita, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Al/GeSn(111)エピタキシャル層構造からの偏析による極薄GeSn形成 (2023)
  • Author(s): 松本泰河, 柴山茂久, 大田晃夫, 横川凌,, 黒澤昌志, 坂下満男, 中塚理
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] スパッタリング法によるInP基板上のGe0.75Sn0.25エピタキシャル成長 (2023)
  • Author(s): 壁谷汰知, 柴山茂久, 高木孝明, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] スパッタリング法による InP 基板上へのエピタキシャル Ge0.75Sn0.25 形成 (2023)
  • Author(s): 壁谷汰知, 柴山茂久, 高木孝明, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第10回応用物理学会名古屋大学スチューデントチャプター東海地区学術講演会
• [Presentation] Al/GeSn(111)構造からの偏析を用いた極薄・高 Sn 組成 GeSn の形成 (2023)
  • Author(s): 松本泰河, 大田晃生, 横川凌, , 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理, 柴山茂久
  • Organizer: 第10回応用物理学会名古屋大学スチューデントチャプター東海地区学術講演会
• [Presentation] Challenge and new opportunity of Ge1-x-ySixSny/Ge1-xSnx heterostructures for optoelectronic and electronic device applications (2023)
  • Author(s): S. Shibayama, S. Zhang, M. Sakashita, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Heteroepitaxy of Ge1-xSnx with a high Sn content over 25% on InP(001) toward group-IV infrared detector (2023)
  • Author(s): K. Takagi, S. Shibayama, M. Sakashita, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固相成長法による Si(001)基板上の伸長歪み Ge1-xSnx薄膜の形成 (2023)
  • Author(s): 平出達磨, 大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 黒澤昌志
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高Sn組成Ge1-xSnx(111)エピタキシャル薄膜の高品質形成 (2023)
  • Author(s): 森俊輔, 柴山茂久, 加藤芳規, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Substrate engineering for strain-controlled high-Sn-content Ge1-xSnx epitaxy (2022)
  • Author(s): O. Nakatsuka, S. Shibayama, M. Kurosawa, and M. Sakashita
  • Organizer: The 6th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials, 2022 (APAC-Silicide 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sn-driven self-formation of Ge1-xSnx nanodots on insulator for multi-layered quantum dots structure (2022)
  • Author(s): K. Hashimoto, S. Shibayama, K. Asaka, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
  • Organizer: The 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-IX)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular beam epitaxy of Si1-xSnx layers with 10%-Sn content on Si1-yGey buffers (2022)
  • Author(s): K. Fujimoto, S. Shibayama, M. Sakashita, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Research and Development of GeSn-related Group-IV Semiconductor Heterostructures for Optoelectronic Applications (2022)
  • Author(s): O. Nakatsuka, S. Shibayama, M. Kurosawa, and M. Sakashita
  • Organizer: Symposium on Light Emission and Photonics of Group IV Semiconductor Nanostructures (LPGN)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多層量子ドット構造実現に向けた絶縁体上へのGe1-xSnxナノドットの自己形成 (2022)
  • Author(s): 橋本薫, 柴山茂久, 安坂幸師, 中塚理
  • Organizer: 電子情報通信学会 シリコン材料・デバイス研究会（SDM）「MOSデバイス・メモリ・パワーデバイス高性能化－材料・プロセス技術」
• [Presentation] InP基板上の超高Sn組成Ge1-xSnxヘテロエピタキシャル層の結晶性改善 (2022)
  • Author(s): 高木孝明, 柴山茂久, 黒澤昌志, 坂下満男, 中塚理
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Si(111)上における直接遷移Ge1-xSnxヘテロエピタキシャル層の形成 (2022)
  • Author(s): 森俊輔, 柴山茂久, 坂下満男, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 熱安定性の高いGe1-xSnx量子ドットの自己形成 (2022)
  • Author(s): 橋本薫, 柴山茂久, 安坂幸師, 黒澤昌志, 坂下満男, 中塚理
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Formation of non-equilibrium Ge1-xSnx/SixGe1-x-ySny double-quantum wells and its photoluminescence property (2022)
  • Author(s): S. Zhang, S. Shibayama, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 14th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides Nanomaterials (ISPlasma 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極薄GeSiSn/GeSn/GeSiSn二重障壁構造の形成およびその電気的特性 (2022)
  • Author(s): 柴山茂久, G. R. Suwito, 中塚理
  • Organizer: 応用物理学会 薄膜・表面物理分科会・シリコンテクノロジー分科会共催特別研究会「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] 量子ドット実現に向けた超高Sn組成GeSnの自己組織化形成 (2022)
  • Author(s): 橋本薫, 柴山茂久, 安坂幸師, 中塚理
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 固相エピタキシャル成長法によるPドープSi1-xSnx薄膜の形成 (2022)
  • Author(s): 大岩樹, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Si1-xGexバッファ上におけるSi1-xSnx薄膜の結晶成長 (2022)
  • Author(s): 藤本一彰, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Formation of Ge1-xSnx/SixGe1-x-ySny double quantum wells structure and its photoluminescence mechanism (2022)
  • Author(s): S. Zhang, S. Shibayama, and O. Nakatsuka
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Optoelectronic properties of heterostructures based on pseudo-direct-bandgap transition n+-Ge1-xSnx active layer (2021)
  • Author(s): S. Zhang, and O. Nakatsuka
  • Organizer: The 2nd International Workshop on Advanced Nanomaterials for Future Electron Devices 2021 (IWAN2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optoelectronic properties of pseudo-direct transition n+-Ge1-xSnx and heterostructures composed of n+-Ge1-xSnx and n-SiyGe1-y thin layers (2021)
  • Author(s): S. Zhang, M. Sakashita, S. Shibayama, and O. Nakatsuka
  • Organizer: International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021 (ICMaSS 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GaAs基板上におけるSi1－xSnx薄膜の結晶成長 (2021)
  • Author(s): 藤本一彰, 黒澤昌志, 中塚理
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] 中塚研究室
  • URL: http://alice.xtal.nagoya-u.ac.jp/nanoeledev/index.html
• [Remarks] ナノ電子デバイス工学研究グループウェブサイト
  • URL: http://alice.xtal.nagoya-u.ac.jp/nanoeledev/index.html
• [Remarks] 名古屋大学大学院工学研究科物質科学専攻物質デバイス機能創成学講座ナノ電子デバイス工学研究グループ
  • URL: http://alice.xtal.nagoya-u.ac.jp/nanoeledev/