2018 Fiscal Year Annual Research Report
Ge-On-Insulator基板上への局所歪み導入によるGe-光素子の高性能化
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17H03237
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
王 冬 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10419616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中島 寛 九州大学, グローバルイノベーションセンター, 教授 (70172301)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | Ge-光素子 / Ge-On-Insulator / 金属/半導体コンタクト / 横方向発光・受光 / チップ内光配線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H30年度の研究成果は以下の通りである。
(1) n形p形両方のGOI基板を試作し、その電気・光学特性評価を行った。熱処理によってp-GOI基板の移動度が約4倍向上し、元のバルクGe並みに改善した。水素イオン注入による生成した高欠陥領域を除去し、n-GOI基板を試作した。高欠陥領域を除去しなければp形になることから、高欠陥領域がn-GOI基板の伝導型反転の一因と考えられる。
(2) DLTS法によりGe/絶縁膜界面付近の絶縁膜内のBorderトラップ信号を詳細に評価し、BorderトラップのDLTS評価法を確立した。その評価手法の誤差は20％以内と推算した。この手法を用いて、界面トラップとBorderトラップ信号を分離し、Borderトラップの密度と空間分布を測定した。BorderトラップのGe-MOSFET性能への影響を調査し、Borderトラップがn-MOSFETの性能低下の一因と考えられる。さらに、Al-PMA法によるBorderトラップの低減効果を明らかにした。
(3) p-GOI基板を用いて発光素子を作製した。GOI基板を導入することで、発光部の電流密度増加とキャリアの閉じ込め効果により、バルクGe基板に比べて、16倍の発光強度の向上を達成した。また、GOI基板におけるブロードな発光スペクトルの原因を調査するため、フォトルミネッセンス測定を行い、Ge薄膜層の結晶性の不均一がブロード化の要因であることを明らかにした。
(4) バルクGeを用いて、反応性イオンエッチング装置で垂直な発光・受光面を試作した。AFM像と断面SEM像によって、約83°の櫛形光デバイスパターンの側壁を形成した。さらに、チップ内の光通信機能を実証するため、GOI基板上に横方向発光・受光構造の形成用マスクを設計した。
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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
平成30年度まで、p-GOI基板を導入することで、発光素子の発光部の電流密度増加とキャリアの閉じ込め効果により、バルクGe基板に比べて、16倍の発光強度の向上を達成している。これは、研究計画当初の予想値を上回っている。GOI基板の欠陥制御を工夫して、高品質なn-GOI基板を形成できれば、より高効率な発光が期待できる。さらに、Ge/絶縁膜界面付近のBorderトラップ信号を詳細に評価し、前年度に開発したBorderトラップのDLTS評価法を改善して完成度の高いボーダートラップ評価方法を確立した。この評価手法を用いて、Al-PMA法によるBorderトラップの低減を明らかにした。以上より、全体的に順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．n-GOI基板の作製と高品質化：高濃度ｎ形ドーピングGe基板を用いてn-GOI基板を作製する。GOI構造を形成する前に、水素イオン注入による生成した高欠陥領域を除去し、空孔欠陥の生成を抑制する。Dual-MOS構造のCV法とDLTS法を用いて、Ge/Al2O3の界面準位とAl2O3/熱酸化SiO2中の固定電荷を定量評価する。GOI層の結晶性・欠陥をPL法により評価し、GOI基板の結晶性を掌握する。評価の結果をGOI基板の作製条件にフィードバックし、高品質なn-GOI基板を作製する。
２．横方向発光・受光構造の形成： チップ内の光通信機能を実証するため、横方向発光・受光構造を形成する。GOI上で垂直な発光・受光面を形成するため、RFパワーとガス圧を最適化し、高精度なドライエッチングプロセスを構築する。GeとAl2O3/SiO2 膜とのエッチング選択比が低いため、エッチングレートを調べ、エッチング時間を精密に制御する。
３．垂直な発光・受光面に保護膜の形成： スバッタリング法を用いてSiO2/GeO2保護膜を形成する。垂直な発光・受光面を保護するため、GOI層の厚さと発光・受光素子の間隔距離を変え、スバッタリング角度を調査する。形成した保護膜の断面構造をSEMで観察し、その結果をスバッタリング条件にフィードバックして、保護膜の適正化を図る。
４．チップ内の光通信機能の実証：低障壁な金属/側壁GOIコンタクトと垂直な発光・受光面の保護膜を形成し、横方向発光・受光構造を作製する。交流電圧を発光素子に印加し、光素子間の光通信を実証する。発光・受光面の幅と発光・受光素子の間隔距離を最適化して、光通信の伝送効率向上を図る。
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