2019 Fiscal Year Annual Research Report
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19H02175
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
澤野 憲太郎 東京都市大学, 工学部, 教授 (90409376)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
徐 学俊 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (80593334)
浜屋 宏平 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ゲルマニウムLED / スピンLED / 円偏光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
円偏光発生可能な発光素子がSi基板上に実現すれば、一つのSiチップ上で情報演算処理と、その情報を光配線によって伝達、円偏光発生によるチップ外部への円偏光光信号送信を同時に行うことが可能となり、光通信、Si-OEIC分野へ革新を起こす技術となる。本研究では、材料としてゲルマニウム(Ge)に注目し、「高スピン偏極強磁性体電極を有する円偏光発生Ge LED」を実現することを目的としている。
今年度は、まずGe発光素子として、Ge膜からの発光効率を向上させる技術開発を進めた。特に、アモルファスシリコン(a-Si)膜によるGe表面不活性化を試み、大幅な発光効率増大を得た。さらにa-Si膜の伝導タイプによって効果が全く異なることを見出し、表面電界効果が大きく寄与しているメカニズムを明らかにした。
また、GeLEDの発光効率向上のために、歪み効果や、SiGeヘテロ構造利用によるキャリア閉じ込め、光閉じ込めが重要な技術である。今回、Ge-on-Si上への歪みSiGe膜形成を試み、その高品質化に成功した。特に、膜へのクラック発生を完全に抑える手法として、Ge-on-Si膜をパターニングし、その上へSiGe膜形成を試みた結果、臨界膜厚を大きく超える膜厚まで成長可能となり、非常に安定した歪みが維持されることが示された。これにより、GeLEDの設計自由度、またスピン注入用強磁性体電極形成のプロセス・ウィンドウが大きく広がり、高効率スピンLED構造実現への大きな前進となった。
また、p-i-n型GeLED構造作製のために、in-situドーピング技術について詳細に検討し、Geの低温成長とポストアニールの条件を最適化することで、p型、n型の精細な伝導型制御ができるようになった。これにより良好なダイオード構造形成が可能となり、今後のスピン注入EL発光が期待できる。
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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
GeスピンLED実現のために、Ge膜からの発光効率を向上させる必要がある。そのために、アモルファスSi（a-Si）を用いたGOIの表面不活性化（パッシベーション）を試みた。近年、Si太陽電池では、その高い変換効率を得るために水素化アモルファスSi（a-Si:H）膜の形成が必須技術となっており、今回はそれと完全に同様な、プラズマCVDによる膜形成を行った。特にｐ型のa-Si:H層を堆積させた場合、もとのGOSと比較して約15倍の発光強度を得ることに成功した。一方、n型a-Si:H膜を堆積させた場合では発光強度が減少し、伝導タイプの制御が重要であることを示している。バンド構造計算より、Ge表面がバンドベンディングを起こす、いわゆる電界効果によって、表面での非発光再結合が大きく抑制され、発光強度増大につながったものと結論付けられた。これらの結果より、アモルファスSiによる表面パッシベーションがGe発光素子において重要であることが示された。
また、高品質なGe-on-Si膜上への歪みSiGeヘテロ構造形成について検討した。その結果、Ge基板上と比較し、Ge-on-Siの上に歪みSiGe膜を形成すると、膜へのクラックが発生しやすく、いわゆる歪みを維持した状態で成長可能な臨界膜厚が著しく減少してしまうことが明らかとなった。それを抑制するために、Ge-on-Si層にパターニングを施しメサ構造とした上にSiGeを成長させることで、クラックの発生を完全に抑制することに成功した。その結果、Ge-on-Si上の臨界膜厚は大きく向上し、Ge基板上の臨界膜厚を超えることが分かった。すなわち、パターニングGe-on-Si基板を利用することで、より大きな歪みを有し、歪み安定性が高く、高品質なSiGe膜が形成可能となり、GeスピンLED実現への道が大きく開けたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
① GeLED構造の開発を進める。具体的には、Ge-on-Si構造において、最適化されたin-situドーピング技術によって、BとPを高濃度ドーピングすることで、Ge層中にpin構造を形成する。Ge表面はn型のコンタクト形成が非常に難しいが、δドーピング技術とSi原子層挿入手法を用いることで、非常に抵抗の低いコンタクトを実現する。さらに、ドーピング濃度、膜厚の最適化、ELデバイス構造の最適化によってより高い発光効率を目指し、強磁性体電極による偏光発生・評価に進める。
② エピタキシャル成長と貼り合わせ手法を組み合わせたGe-on-Insulator(GOI)基板形成を試みる。Ge-on-Siエピタキシャル膜表面に、低密度ながらボイド欠陥が存在し、貼り合わせ後の剥離を引き起こすことが分かっている。これは、GOI基板の大面積化を妨げるため、解決が必須である。令和２年度は、ボイド欠陥発生の起源の解明とその抑制、またプラズマ表面処理を用いた真空貼り合わせ手法を試みる。
③ 今年度、GOI化によって欠陥層を除去し、さらに表面不活性化によって高い発光強度を得ることに成功した。令和２年度は、表面不活性化に用いるアモルファスSi膜のp, i, n型とGOS層のドーピング濃度の関係を系統的に調べ、最適な不活性化条件を決定する。その上で、GOI上のLEDデバイスを作製し、高効率GeLEDを完成させる。
④ 各Ge組成の歪みSiGe混晶層をGe-on-Si上に作製し、その結晶性を詳細に調べた結果、歪み緩和初期段階において、SiGe層中にクラックが発生していることが明らかとなった。令和２年度はその発生メカニズム、クラック発生抑制のためのパターニング手法を試みる。
⑤ 以上①～④の検討から最適構造を見出し、スピン注入源としての強磁性体電極を形成したGeLEDを作製し、発光特性、偏光特性を評価する。
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