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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Selective Formation of Relaxed Ge Thin Film and Quantum Dot by Sub-Monolayer Carbon Mediation

Research Project

Project/Area Number 15H03554
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

鷲尾 勝由  東北大学, 工学研究科, 教授 (20417017)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 櫻庭 政夫  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (30271993)
川島 知之  東北大学, 工学研究科, 助教 (40708450)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords結晶成長 / ゲルマニウム / 量子ドット / 機能融合 / 電子デバイス / 光素子
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、C(カーボン)を媒介した結晶成長モード制御により、緩和Ge薄膜とGe量子ドットを選択的に混載して形成する技術を確立する。本年度は3年計画の第2年度として、C媒介の結晶成長モードへの影響の明確化と、Ge量子ドット/Siスペーサ層の積層形成を検討した。
Ge量子ドット形成において、c(4×4)表面再構成(SR)を用いる方法と、アモルファスGe/C積層からの固相成長(SPE)を用いる方法を比較し、C媒介による結晶成長モード制御メカニズムを明確化した。SR法においては、表面再構成で未反応の過剰CがSi基板上でC-Ge結合を形成し、VWモードからSKモードに成長モード遷移することを解明した。また、SPE法においては、C媒介でGe凝集が促進されVWモード成長するが、C-Ge結合がGe層内に形成されやすく、少量のCでSKモードに遷移することが分かった。これらの結果から、C堆積量を変えることでGe量子ドットの成長モードを制御できることを示した。
Ge量子ドット/Siスペーサ層の積層形成において、積層化工程で生じるGe量子ドットの形状変化を抑圧する手法を検討し、Siスペーサ層からの歪み応力がGe量子ドットの形状変化に大きく影響することが分かった。形状変化を抑圧する手段として、Siスペーサ層上にCを堆積しC拡散を利用してGeドット表面で歪みを緩和する方法や、スペーサ層をSiC混晶として歪補償する方法を考案・検討し、これらの手法が有効であることを示した。また、Ge量子ドットを積層する際の熱処理を比較的低温化できるSPE法を用いる方が形成条件を広くできるという知見を得た。
以上示したように、来年度に実施するGe量子ドット/Siスペーサ層の多積層形成と多積層Ge量子ドットによる発光のための基盤技術はほぼ確立できた。これらの知見を活かして目標達成に向けて進める。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通りにC媒介の結晶成長モード制御への影響の明確化と、Ge量子ドットの発光効率向上に向けたGe量子ドット/Siスペーサ層の積層形成の検討を進め、C-Si反応による表面再構成とGe/C/Si積層構造から固相成長を用いたGe量子ドット形成において、成長モードが遷移するメカニズムを解明し、C媒介によって成長モードを制御できることを示した。さらに、スペーサ層形成や熱処理によるGe量子ドットの形状変化を抑制する手法を検討し、ドット表面での歪緩和や歪補償層をスペーサ層とすることの有効性を示し、積層化の目処を得た。以上の事から、当初目的としたGe量子ドットの成長モード制御とGe量子ドット/Siスペーサ層の積層形成において、十分な研究成果を達成した。

Strategy for Future Research Activity

Ge量子ドット/Siスペーサ層の多積層形成と、多積層Ge量子ドットによる発光の向上を検討する。これらによりC媒介のGe量子ドットの発光効率への影響の明確化と発光効率向上に繋げる。Ge量子ドット/Siスペーサ層の多積層形成では、C反応制御による転位閉じ込め技術を用いて、Ge量子ドットとSiスペーサ層のペアを積層する。この積層に際して、Siスペーサ層の内部応力の蓄積は、その上部に形成するGe量子ドットに影響する。そこで、「転位閉じ込め」サイクルを複数回繰り返しながら、C原子のGe層内への残留を考慮し、積層へのC被覆率の影響を検討する。多積層Ge量子ドットによる発光向上では、Ge量子ドットの積層化に向けて、Si/Ge界面C析出技術を応用しGeドット表面をC原子が覆うことで応力を局在化し、Siスペーサ層の表面における残留応力を低減する。また、C拡散・Si-C結合の同時進行制御技術でSiスペーサ層の表面応力を調整する。そのために、C被覆量とアニール処理条件によって、C拡散とC-Si結合形成の比率をパラメータとした実験を行い、C媒介による表面応力の制御について実験検討に基づいた体系化を行い、Ge量子ドットの発光効率向上を目指す。

  • Research Products

    (19 results)

All 2017 2016

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Journal Article] Control of growth modes by carbon mediation in formation of Ge quantum dots on Si(100)2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      IEEE Trans. Nanotechnol.

      Volume: 16 Pages: 595~599

    • DOI

      10.1109/TNANO.2017.2679721

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of Ge growth rate and temperature on C-mediated Ge dot formation on Si (100) substrate2017

    • Author(s)
      Y. Satoh, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: 621 Pages: 42-46

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2016.11.032

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low-temperature formation of self-assembled Ge quantum dots on Si(100) under high carbon mediation via solid-phase epitaxy2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, K. Takeshima, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2016.09.011

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effects of carbon coverage on Ge quantum dots formation on Si(100) using C-Si reaction and transition of Ge growth mode2017

    • Author(s)
      K. Yasuta, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2016.11.004

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Influence of crystallinity of as-deposited Ge film on formation of quantum dot in carbon-mediated solid-phase epitaxy2017

    • Author(s)
      K. Takeshima, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2016.11.025

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Strain-compensated formation of multi-stacked Ge quantum dots utilizing Si1-xCx spacer2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      European Materials Research Society 2017 Spring Meeting
    • Place of Presentation
      Strasbourg, France
    • Year and Date
      2017-05-22 – 2017-05-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Si1-xCx歪補償中間層上のカーボン媒介によるGe量子ドットの自己組織的成長2017

    • Author(s)
      伊藤友樹, 川島知之, 鷲尾勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜、横浜市
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Siスペーサ層上の固相成長によるカーボン媒介Ge量子ドットの形成2017

    • Author(s)
      武島開斗, 伊藤友樹, 川島知之, 鷲尾勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜、横浜市
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Ge量子ドットとSiキャップ層の形状と歪へのカーボン被覆の影響2017

    • Author(s)
      有田誠, 伊藤友樹, 川島知之, 鷲尾勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜、横浜市
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Influence of carbon binding states at Ge/Si(100) interface on Ge quantum dot formation via carbon mediation2017

    • Author(s)
      K. Yasuta, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      10th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
    • Place of Presentation
      Tohoku Univ., Sendai
    • Year and Date
      2017-02-13 – 2017-02-14
  • [Presentation] Carbon-mediated Ge quantum dot formation via c(4x4) surface reconstruction and solid-phase epitaxy2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      10th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
    • Place of Presentation
      Tohoku Univ., Sendai
    • Year and Date
      2017-02-13 – 2017-02-14
  • [Presentation] Formation of multi-stacked Ge quantum dot utilizing carbon-mediated template and its photoluminescence property2016

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2016)
    • Place of Presentation
      ANA Crowne Plaza, Kyoto
    • Year and Date
      2016-11-08 – 2016-11-11
  • [Presentation] C-Si 反応を利用したGe 量子ドットの積層構造の発光特性2016

    • Author(s)
      伊藤友樹, 川島知之, 鷲尾勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ、新潟市
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] 余剰カーボンのC-Si反応Ge量子ドット形成への影響2016

    • Author(s)
      安田康佑, 伊藤友樹, 川島知之, 鷲尾勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ、新潟市
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] 堆積中カーボン媒介によるGe量子ドットの低温形成2016

    • Author(s)
      武島開斗, 伊藤友樹, 川島知之, 鷲尾勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ、新潟市
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Control of VW and SK Growth Modes in Ge Quantum Dot Formation on Si(100) Via Carbon Mediation2016

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      IEEE 16th International Conference on Nanotechnology (IEEE NANO 2016)
    • Place of Presentation
      Sendai International Center, Sendai
    • Year and Date
      2016-08-22 – 2016-08-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Transition of Ge Quantum Dot Growth Mode by Using C-Mediated Si(100) Surface Management2016

    • Author(s)
      K. Yasuta, Y. Satoh, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VII) and International SiGe Technology and Device Meeting 2016 (ISTDM2016)
    • Place of Presentation
      Nagoya Univ., Nagoya
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Crystallinity of As-Deposited Ge Film on Quantum Dot Formation in Carbon-Mediated Solid-Phase Epitaxy2016

    • Author(s)
      K. Takeshima, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VII) and International SiGe Technology and Device Meeting 2016 (ISTDM2016)
    • Place of Presentation
      Nagoya Univ., Nagoya
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Low-Temperature Formation of Ge Quantum Dots on Si(100) via Solid-Phase Epitaxy Using Carbon mediation2016

    • Author(s)
      Y. Itoh, K. Takeshima, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VII) and International SiGe Technology and Device Meeting 2016 (ISTDM2016)
    • Place of Presentation
      Nagoya Univ., Nagoya
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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