2020 Fiscal Year Annual Research Report
Formation and Characterization of Germanium Two-Dimensional Crystal on Insulating Substrate
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19H02169
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大田 晃生 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10553620)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ゲルマニウム / 二次元結晶 / 電子物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二年度目は、サファイア基板上のGe薄膜の結晶化に注力して、研究を推進した。アセトンによる超音波洗浄と窒素雰囲気中熱処理により、原子レベルで平坦なサファイア表面を形成した後、RFマグネトロンスパッタリング法によりGe薄膜を堆積した。まず、基板表面温度を変化させてGe薄膜を堆積し、ラマン散乱分光法と原子間力顕微鏡により結晶性および表面形状を評価した。室温で堆積した場合は、Ge薄膜はアモルファスであったが、基板温度420度で堆積した場合は結晶化率が9割を超えた。しかし、その表面形状は島状であり、基板温度の増大により、結晶化と同時にGe原子の表面マイグレーションが促進することが分かった。そこで、Ge原子のマイグレーションを抑制し、熱安定性を向上させるために、SiO2を保護膜として形成した。SiO2／Ge／サファイア構造に対して、Geの融点である938度以下の熱処理で固相結晶化を行った。サファイア基板上のアモルファスGe薄膜は、窒素雰囲気中650度以上で結晶核が生じることが分かった。また、650度以上の熱処理による結晶核発生と、それ以下の温度での長時間の熱処理を組み合わせる二段階の熱処理により、表面平坦性を大きく乱すことなく、Geの結晶化が進行することを明らかにした。さらに、熱酸化をすることでGe薄膜の更なる薄膜化が可能である。また、SiO2／Ge／サファイア構造に対して、940度の熱処理による溶融結晶化を試みた。SapphireとGeの熱膨張係数差から生じるき裂を防ぐため、昇温・降温レートを系統的に変化させた。Ge薄膜を結晶化するには、その厚さが薄いと昇温・降温レートを大きくしなければならいことが分かった。低温熱処理によって固相結晶化を行った試料と比較して、残留アモルファス成分が認められず、高結晶性のGe薄膜が得られた。
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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
絶縁性単結晶基板であるサファイア(0001)を原子レベルで表面平坦化し、その上にスパッタ形成したGe薄膜において、SiO2保護膜の形成に加えて、結晶核生成を制御する二段階の温度での熱処理することで、表面平坦性を大きく乱すことなくGe薄膜を固相結晶化できることが分かった。さらに、Geの融点を超える940度の熱処理において、昇温・降温レートを高めることで溶融結晶化でき、高結晶性のGe薄膜が得られることが分かった。上述の様に、サファイア基板上のGe薄膜において、熱処理による結晶化の指針を示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、極薄Ge膜の単結晶化と均一に薄膜化する方法を探究することに取り組む。作成した極薄Ge膜において、X線回折法や、透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡などを用いて結晶構造や平坦性を評価し、サファイア基板との配向性を明らかにする。また、極薄Ge膜の熱酸化や初期膜厚の制御により、厚さをサブナノメートルまで薄膜化することによって、絶縁性基板上の二次元結晶の形成に向けた指針を構築する。光電子分光測定により電子状態を明らかにすることに加えて、素子分離や電極形成により、キャリア輸送特性などを評価することを目指す。
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