2020 Fiscal Year Research-status Report
プラスチック基板上における金触媒を用いたn型ゲルマニウム結晶の低温形成技術の開発
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19K15458
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
笠原 健司 福岡大学, 理学部, 助教 (00706864)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ゲルマニウム / 低温結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、プラスチック基板などの曲げられる基板上に250°C以下という低温でn型(n-)ゲルマニウム(Ge)結晶を形成し、それを用いた薄膜トランジスタ(TFT)および相補型MOS (CMOS)デバイスの動作実証を試みる。具体的には、申請者が開発した多層金誘起層交換成長法(ML-GIC)を発展させ、金(Au)触媒中にアンチモン(Sb)などのn型不純物(ドナー)を前もって混入しておき、Geの結晶成長中にそのドナーをドーピングする。更に、欠陥起因の正孔密度を抑制するために、シリコンやスズなどの別のⅣ族元素の添加も検討する。低温形成したn-Ge結晶を用い、pおよびnチャネルTFTを試作し、その動作を実証する。最終的には、両チャネルのTFTを混載した高性能Ge-CMOSデバイスをプラスチック基板上で実現する。研究所年度は、アモルファス(a-)Ge/Au多層構造ではなく、Au元素をGe元素と同時に蒸着したGeAu層を用いることで、Au原子によるGe-Ge結合の弱化が促進されGeの結晶化温度のさらなる低下と結晶成長の高速化、および結晶欠陥の低減が期待できるのではないかと考え、研究を開始した。しかし、Au原子がa-Ge層内に多量に取り込まれたことにより、下地のAu層へのGeの供給が過剰となり、その結果、多量のGe結晶核が発生し、Ge結晶の小粒径化が促進される結果となった。[K. Kasahara, et al., Fukuoka University Science Reports 51, 1-6 (2021).] さらにGe結晶の小粒径化に伴う電気伝導特性の劣化も確認された。今後は、a-Ge/Au多層構造に戻し、a-Ge層に同じⅣ族半導体であるSiやSn を添加することで、Ge結晶の電気伝導特性の向上を目指していく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
1-2年度は、アモルファス(a-)Ge層にAu元素をあらかじめドーピングすることでGe-Ge結合力の弱化が促進され、Geの結晶化温度のさらなる低下と結晶成長の高速化、および結晶欠陥の低減を期待できるとして、a-Ge/Au多層構造の代わりにAu元素をGe元素と同時に蒸着したGeAu層を用いた。GeAu/Al2O3/Au/SiO2基板構造においても300°C以下で層交換が起こり、Geの低温結晶化が起こることがわかったものの、下地Au層へのGe原子の供給が過剰となり、Ge結晶の粒径は大幅に小さくなることが判明した。この結晶粒径の低下を反映したと思われる、正孔密度の大幅な増大や正孔移動度の低下がホール効果を用いた電気伝導特性の測定により確認された。Ge結晶が小粒径化するとGe結晶の体積に対する結晶粒界の影響が増大するため、結晶粒界で発生する正孔は増え、粒界散乱による正孔移動度の低下もより顕著になったのだと考えられる。今回の研究により、GIG法におけるa-Ge層への異種元素添加は、下地Au層へのGe原子の過剰供給によるGe結晶の小粒径化および電気伝導特性の劣化を引き起こす恐れがあることが判明した。GIG法においてa-Ge層へ異種元素添加し、特性を改善させるためには、元素の種類とその量についてより詳しく検討する必要があるものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
n-Ge結晶の低温形成には、(1) いかにGe結晶内の欠陥に起因する正孔濃度を減らせるか、(2) 結晶化中にいかに多くのドナーをGe結晶中に取り込むか、という二つの課題をクリアしなければならない。本研究では、まず、p-Ge結晶中の正孔濃度の抑制を試みる。最近、Ge結晶に別のⅣ族半導体材料を添加すると、正孔濃度が下がるという報告がなされた。[6] そこで本研究においても、Ge結晶中へ、Ⅳ族元素であるSiやスズ(Sn)の添加を試みる。具体的には、(a-Ge/Au)x多層構造中にa-Si層やa-Sn層を挿入し、熱処理によって、Ge結晶の成長中にSiやSn元素を添加する．添加するSiやSn元素の量は、a-Siやa-Sn層の層の数や厚みによって変調する。p-Ge(Si, Sn)結晶の正孔濃度の評価は、ホール効果測定で行う。p-Ge(Si, Sn)結晶を微細加工によりホールバー構造に加工し、印加磁場とホール電圧の関係から正孔濃度を算出する。SiやSn元素の添加量と正孔濃度との関係を詳細に調べ、現状のML-GIC法で作製したp-Ge結晶よりも二桁低い正孔濃度(1016 cm-3)のp-Ge(Si, Sn)結晶を実現する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの蔓延により，研究代表者が所属する大学への入構が制限され，実験が行えない期間が長期間続いた．さらに，入構制限が解除されて以降も，大学の授業がオンラインに切り替わったことにより，その準備に追われて膨大な時間を費やすこととなったため，全くと言っていいほど研究に費やす時間を確保できなかった．このことから，ほとんど研究ができず，消耗品などを使用なかったため，研究費を使用する機会がなかった．また，昨年度開催された学会は，ほぼ全てがオンライン開催であったため，旅費も全くかからず，研究費を使う必要がなかった．以上のような理由から，昨年度はほとんど研究を使う機会がなく，本年度への使用の繰越を行なった．
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