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Fabrication of GeSn wires by local liquid phase crystallization and demonstration of laser diode operation

Research Project

Project/Area Number 23K22798
Project/Area Number (Other) 22H01528 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionWaseda University (2024)
Osaka University (2022-2023)

Principal Investigator

志村 考功  早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授(任期付) (90252600)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Keywordsシリコンフォトニクス / ゲルマニウム / ゲルマニウムスズ / レーザー / スズ / ゾーンメルト
Outline of Research at the Start

本研究課題は、シリコンプロセスと整合性の高いⅣ族材料でのレーザー光源の実証を目的とする。局所液相成長法はSiO2基板上に形成したアモルファスGeSn細線を局所的に溶融し、溶融しなかった固相部分(seed部)との界面から結晶成長を促し、単結晶GeSn細線を形成する手法である。本手法にレーザー溶融技術を導入することで制御性を高め、Ⅳ族GeSn材料でのレーザーダイオードを試作し、室温動作、低しきい値でのレーザー発振を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、シリコンプロセスと整合性の高いⅣ族材料でのレーザー光源の実証を目的とする。そのために局所液相成長法にレーザー溶融技術を導入し、引張歪みを有するSn添加Ge材料でのレーザーダイオードの試作と動作実証を行う。局所液相成長法はSiO2基板上に形成したアモルファスGeSn細線を局所的に溶融することで結晶成長を促し、単結晶GeSn細線を形成する手法である。本手法にレーザー溶融技術を導入することで制御性を高め、Ⅳ族GeSn材料でのレーザーダイオードを試作し、室温動作、低しきい値でのレーザー発振を目指す。
2022年度では赤外線ランプ加熱炉を用いた手法をレーザー光照射を用いたGeSn細線の部分溶融による局所液相成長へと発展させた。さらに2023年度は本手法をシリコン基板上のGeSn細線に適用するために新たに高出力レーザーを用いたレーザーアニールシステムを構築した。Siの熱伝導率は石英に比べ、100倍以上高いため、GeSnを溶融するためには高いレーザーパワー密度が必要となる。そのため、試料へのダメージが懸念される。また、Siの熱膨張係数はGeの値と近いため、引張歪みが低下し、発光効率が低下することが課題となる。
検討の結果、高パワー密度のレーザー照射でも結晶化が可能であることを示すことができた。2段階成長によりダメージを抑制しつつ、Sn濃度を深さ方向に均一化させることが可能となり、PL発光強度はGe基板の35倍に増加した。さらに、下地SiO2膜を厚くすることにより引張歪みを増加できることが判明した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

年度途中に研究代表者の移籍が決まり、移籍後も継続した研究開発を進めるため研究計画を見直したため。

Strategy for Future Research Activity

2024年度から研究代表者が早稲田大学に移籍するが、装置の移設等により継続して研究開発を進める。移籍先ではイオン注入装置を利用できるため、電流注入でのレーザー発振に注力して研究を進める。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Controllability of luminescence wavelength from GeSn wires fabricated by laser-induced local liquid phase crystallization on quartz substrates2023

    • Author(s)
      T. Shimura, R. Yamaguchi, N. Tabuchi, M. Kondoh, M. Kuniyoshi, T. Hosoi, T. Kobayashi and H. Watanabe
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Issue: SC Pages: SC1083-SC1083

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb9a2

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fabrication and Luminescence Characterization of Ge Wires with Uniaxial Tensile Strains Applied using Internal Stresses in Deposited Metal Thin Films2023

    • Author(s)
      Shimura Takayoshi、Tanaka Shogo、Hosoi Takuji、Watanabe Heiji
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: - Issue: 8 Pages: 5053-5058

    • DOI

      10.1007/s11664-023-10309-w

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Si基板上GeSn細線のレーザー溶融結晶化における レーザー走査条件と下地SiO2膜厚の最適化2024

    • Author(s)
      早川 雄大、近藤 優聖、國吉 望月、小林 拓真、志村 考功、渡部 平司
    • Organizer
      第29回電子デバイス界面テクノロジー研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Si基板上GeSn細線のレーザー溶融結晶化における下地SiO2膜厚とレーザー走査速度の最適化2024

    • Author(s)
      早川 雄大、近藤 優聖、國吉 望月、小林 拓真、志村 考功、渡部 平司
    • Organizer
      第71回 応用物理学会 春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Si基板上GeSn細線の レーザー溶融結晶化と光学特性評価2023

    • Author(s)
      近藤 優聖, 田淵 直人, 國吉 望月, 小林 拓真, 志村 考功, 渡部 平司
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ成膜法によるGe(100)基板上のGeSnエピタキシャル成長2022

    • Author(s)
      國吉 望月, 安部 和弥, 田中 信敬, 星原 雅生, 小林 拓真, 志村 考功, 渡部 平司
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Ge(100)基板上にスパッタ成膜した エピタキシャルGeSn層の評価2022

    • Author(s)
      田中 信敬, 安部 和弥, 星原 雅生, 國吉 望月, 小林 拓真, 志村 考功, 渡部 平司
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Controllability of Luminescence Wavelength from GeSn Wires Fabricated by Laser Zone Melting on Quartz Substrates2022

    • Author(s)
      T. Shimura, R. Yamaguchi, N. Tabuchi, M. Kondo, M. Kuniyoshi, T. Hosoi, T. Kobayashi, and H. Watanabe
    • Organizer
      2022 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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