Development of rapid crystallization technique of amorphous GeSn films at room temperature by electron beam and electrical characterization of the products

Research Project

Project/Area Number	23K23083
Project/Area Number (Other)	22H01815 (2022-2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research Institution	The University of Shiga Prefecture
Principal Investigator	仲村龍介滋賀県立大学, 工学部, 教授 (70396513)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	石丸学九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (00264086) 佐道泰造九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (20274491)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000) Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000) Fiscal Year 2022: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
Keywords	半導体 / アモルファス / 結晶化 / 電子ビーム / アモルファスGeSn / 電子ビーム結晶化 / 構造およびミクロ組織解析 / 電気特性
Outline of Research at the Start	アモルファスGeSn薄膜を出発材料とし，室温で，数keV級の極めて低いエネルギーの電子ビームを照射する「非加熱方式」により，瞬間的かつ広域な結晶成長を促す．本研究では，(1)この手法の有効性を実証し，(2)瞬間結晶化（爆発的結晶化）が生じる構造的要因を明らかにし，そして，(3)得られた結晶膜の電気特性を評価する．最終年度の今年度には(3)の研究を行う．前半期にはガラスおよびポリマー基板上の薄膜において，3-10 keVの電子ビームを照射した場合に，爆発的結晶化が起こる薄膜の膜厚とエネルギー範囲の対応関係を解明する．後半期には電気特性の評価を実施する計画である．
Outline of Annual Research Achievements	ゲルマニウム（Ge）-スズ（Sn）混晶薄膜は，主流のシリコン（Si）そしてGeを凌駕する電気および光学特性をもつ次世代の半導体デバイス材料として有望である．Snを極力高濃度に固溶した結晶薄膜を低温で作製することを実用化の第一ハードルとして，国内外で活発な研究が繰り広げられている．本研究では，弱い電子ビームによる「非加熱方式」により，瞬間的かつ広域な結晶成長を促す方法の確立を目指す．(1) この手法の有効性を実証し，(2) 瞬間結晶化（爆発的結晶化）が生じる構造的要因を明らかにし，そして，(3) 得られた結晶膜の電気特性を評価する．Geの性能を超えるGeSn結晶薄膜の非加熱方式作製技術の確立を最終目標とする．今年度は(1)の研究として，基板フリーのアモルファスGeSn試料に対して1－20keVの電子ビームをアモルファスGeSn試料に照射し，爆発的結晶化が起こる電子ビームの条件とSnの最大濃度を明らかにする研究を実施した．3keVで結晶化に必要な電子フラックスは低く効率よく結晶化が起こることがわかった．そして，20at.%Snのアモルファス薄膜において爆発的結晶化が起こることがわかった． (2)の研究として，透過型電子顕微鏡を用いてアモルファスGeSnの二体分布関数を求めた．20at.%Snを超えると，原子間距離が顕著に長くなりアモルファス構造に明瞭な変化が生じることがわかった．この濃度を超えると，電子ビームによる結晶化においてSnの析出が顕著になり爆発的結晶化が阻害されることがわかった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 基板フリーのアモルファスGeSn試料に対して1－20keVの電子ビームをアモルファスGeSn試料に照射し，爆発的結晶化が起こる電子ビームの条件とSnの最大濃度を明らかにする研究を実施した．研究実績に記載のとおり，両者ともに計画通りに進展し基礎データを得ることができた．
Strategy for Future Research Activity	2022年度の研究では，基板フリーの薄膜においては爆発的結晶化が生じる電子ビーム条件を明らかにした．3keVの電子ビームで最も効率よく結晶化が起こる．2023年度には，ガラスまたはポリマー基板に薄膜を成膜した試料に対して，3keVの電子ビームを照射して爆発的結晶化を実証する．順調に進展すれば，結晶膜試料の電気測定の予備実験を進める．また，X線光電子分光法や軟X線発光分光法によりアモルファス試料の結合状態を分析し，爆発的結晶化とSn濃度の関係を調査する．