Hexagonal-Ge結晶薄膜形成による光機能創発
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22K04869
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
安武 裕輔 東京大学, 大学院総合文化研究科, 技術専門職員 (10526726)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | Hexagonal / Germanium / Germanene / Germanane / hexagonal / germanium / germanane / germanene / molecular beam epitaxy / ゲルマニウム / 原子層 / 低次元構造 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、ポストシリコン材料の有力候補であるゲルマニウム(Ge)の機能開拓に向けて、Hexagonal-diamond Ge(Hex-Ge)構造とGe原子層(ゲルマネン)構築手法の開発を行い、未踏領域であるHex-Ge低次元構造の物性を明らかにすることを目的とした研究を行います。
インターカラント介在Ge低次元構造エピタキシャル手法を駆使し、CaF2絶縁層をバリア層に有するHex-Ge結晶構造の作製と評価を行い、マルチバレー半導体の光物性への知見を駆使して、Hex-Ge結晶薄膜における発光機能探索として直接遷移端由来蛍光と光利得発現を目指します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
Zone-foldingによる疑似直接遷移化を活用したⅣ族半導体の劇的な機能向上を目的として、Hexagonal-Ge(Hex-Ge)の結晶薄膜成長技術の確立と光・電子機能評価に関する実験的研究を推進した。これまでCubic-Ge(c-Ge)の(111)基板上にHex-Ge構造を層間に有するCaGe2バッファ層を形成し、基板温度精密制御によりCaのインターカラント・サーファクタント二重性を駆使することで、Hex-Geエピタキシャル薄膜形成を試みてきた。そこであるTc以下の成長温度において、Caインターカラント能を主とすることで、コヒーレントなGe薄膜が成長する条件を見出した。大気安定性を担保するために、フッ素含有イオン液体中でアニールすることでCaのフッ素化を促し、CaF2絶縁層間に新規Ge結晶構造を有する新規構造を形成し光学評価を試みたところ、0.7~1.0 eVのSWIR領域での明瞭な発光を観測した。低温における直接遷移端非共鳴励起でのバルクc-Geの直接遷移端(0.9 eV)より高エネルギー側での発光観測は、本研究課題の主目的であるHex-Ge結晶超薄膜構造の形成による光機能創発を示唆している。
汎用性を高めるためにはSi基板を使用することは必須である。そこで、これまで使用してきたc-Ge(111)基板からc-Si(111)を成長基板として選択し、Hex-Ge on Siの作製に関する研究を進めた。成長温度を低温にし、CaとGeの交互蒸着法を適用することでより平坦なバッファ層を形成することが可能となり、XRD評価からc-Ge選択時と比較してより結晶性の高いGe薄膜が成長していることを確認した。
Hex-Geバンド端に相当する中赤外領域の分光計測環境の整備を完了し、変調分光も可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の当初の目的であるHex-Ge結晶薄膜形成と光機能創発について、Ca介在Ge分子線エピタキシ技術の精緻とCaフッ素化手法の融合により、SWIR領域での発光観測という一定の成果を確認することができた。これは昨年度、装置トラブル中のマシンダウン時にほぼ結晶作製プロトコルを自動化・リモート制御化した恩恵も大きかった。
また昨年度発見した水素終端Hex-Ge/c-Ge界面による特異な正孔移動度の向上と量子振動の起源について、再現実験を重ね理論計算結果を精査し、論文を投稿することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
Hex-Ge骨格を基本とした新規Ge結晶構造手法をほぼ確立することができた。今後は可視光領域からMIR領域まで、広範囲の分光計測によりHex-Ge構造のバンド端・結晶欠陥由来蛍光など、SWIR領域で観測された発光機構の起源の解明に注力しHex-Ge量子構造の光機能を追跡する。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
