2014 Fiscal Year Annual Research Report
省電力ＵＬＳＩ実現に向けたゲルマニウムスズ薄膜の電子物性制御および移動度実証
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14J10698
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
浅野 孝典 名古屋大学, 工学研究科結晶材料工学専攻, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2016-03-31
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| Keywords | ゲルマニウム / スズ / エピタキシャル成長 / 欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GeSnチャネルトランジスタの実現のためには、GeSn膜中の結晶成長中に導入される欠陥の理解と制御が重要である。GeSn層の結晶性を向上させる手法として、我々は分子線エピタキシャル成長中における水素の供給に注目した。水素供給がGeSnのエピタキシャル成長および結晶性へ及ぼす影響を調べると、格子面ゆらぎの低減や3次元島成長の抑制が可能であり、GeSn層の結晶性を向上できることがわかった。さらに水素導入は電気的特性にも効果をもたらし、GeSn MOSキャパシタの容量電圧特性の解析から、アクセプタライクに働く欠陥の密度が1桁程度低減できることが明らかとなった。
Si集積回路は、省電力化や高駆動力化だけでなく、フォトディテクタやレーザーといった光電素子の集積化による多機能化が期待されている。GeSiSnは三元混晶であるため、Ge, Si, およびSnの組成を制御することで、エネルギーバンド構造と格子定数を独立して設計できる。GeSiSnは電子デバイスのみならず、受光・発光デバイスへの応用が期待できる。本研究では、GeSiSn層の組成および歪が結晶性と表面形態へ及ぼす影響を詳細に調べた。結果として、歪の構造が結晶性に強く影響することが明らかとなった。歪量の小さいGeSiSn層においても、伸長歪GeSiSn層では柱状構造が形成される一方、圧縮歪GeSiSn層では均一な結晶であることがわかった。結果として、均一な結晶構造と平坦な表面を有するGeSiSn層の形成条件を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
私は次世代の集積回路の高性能のために、Ge1-xSnx IV族半導体を活用したトランジスタが有望と考え、高品位な結晶を目指した成長技術の研究に注力した。私はGe1-xSnxの高品質化において、Snに由来する熱プロセスの制限が欠陥低減を困難にする大きな課題であると考え、新たな欠陥制御手法として水素を導入した結晶成長に着目することで、Ge1-xSnx結晶中の欠陥を1017cm-3まで低減できることを示した。この結果は、高駆動力トランジスタの実現に向けて、低温プロセスと結晶の高品位形成を両立可能とする重要な成果である。
彼は、これらの成果を精力的に発表しており、結果として非常に多くの国内学会 (12件)、国際学会 (8件)、および学術論文 (7件) に結実させている。その成果は外部からも評価されており、2件の講演奨励賞を受賞している。以上、浅野君は日本学術振興会特別研究員として非常に優れた成果を上げており、今後も若手研究者としてより一層の活躍が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
去年度の結果として、分子線エピタキシャル成長中における水素の導入によって、Ge1-xSnx層の結晶性の向上および欠陥の低減ができることが明らかとなった。本年度は電気的にも優れたGe1-xSnxの形成に向けて、Ge1-xSnx層の極性制御に向けた基礎的知見の獲得を目指す。前半はGe1-xSnx中のacceptor-likeな欠陥を~10^16cm-3まで低減することを目標とする。その手法として、成長後のGe1-xSnx層の熱処理を検討し、欠陥密度の変化を詳細に調べる。高品質化に向けての問題として、Ge1-xSnx層からの金属相Snの析出を抑制するため、熱処理温度の増大が制限されることが挙げられる。本研究では、この問題を克服するために、特に水素雰囲気における熱処理に着目する。熱処理による膜中の欠陥密度変化と水素化による欠陥のエネルギー準位の変化を定量的に調べ、その効果を明らかにする。電気的に活性な欠陥の密度を低減し、これまで困難とされてきた真性半導体 (i型) のGe1-xSnxを創出する。さらに後半は、開発された高品質なi型Ge1-xSnx層を用いてイオン注入法やin-situドーピングを駆使したn型ドーピングを検証する。Sn組成、歪または成長条件が、n型ドーパントの固溶や拡散、および活性化に及ぼす影響を調べる。それらの条件が膜の歪、ドーパントの活性化、および電気的特性に及ぼす影響をX線回折、X線光電子分光、およびHall効果測定とpn接合特性を用いて明らかにする。
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[Journal Article] Non-uniform depth distributions of Sn concentration induced by Sn migration and desorption during GeSnSi layer formation2015
Author(s)
N. Taoka, T. Asano, T. Yamaha, T. Terashima, O. Nakatsuka, I. Costina, P. Zaumseil, G. Capellini, S. Zaima, and T. Schroeder
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Journal Title
Appl. Phys. Lett.
Volume: 106
Pages: 061107-1,-5
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Hydrogen Surfactant Epitaxy of Ge1-xSnx Layers2014
Author(s)
Takanori Asano, Noriyuki Taoka, Koya Hozaki, Wakana Takeuchi, Mitsuo Sakashita , Osamu Nakatsuka , and Shigeaki Zaima
Organizer
JSPS Core-to-Core Program Workshop "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration"
Place of Presentation
IMEC, Belgium
Year and Date
2014-11-13 – 2014-11-14
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[Presentation] Electrically Active Defects in GeSnSi/Ge Junctions Formed at Low Temperature2014
Author(s)
N. Taoka, T. Asano, T. Yamaha, T. Terashima, S. Asaba, O. Nakatsuka, I. Costina, P. Zaumseil, G. Cappellini, T. Schroeder, S. Zaima
Organizer
International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2014)
Place of Presentation
つくば国際会議場
Year and Date
2014-09-08 – 2014-09-11
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