2019 Fiscal Year Research-status Report

液体ゲルマニウムの創出

Research Project

Project/Area Number	19K21969
Research Institution	Japan Advanced Institute of Science and Technology
Principal Investigator	増田貴史北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 講師 (70643138)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Keywords	半導体 / 液体プロセス
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、常温常圧で液体、脱水素化により固体の半導体ゲルマニウム（Ge）へと変化する新物質「液体Ge」の創出である。研究代表者が長年研究してきた「液体Si」の合成方法をベースに、その対象を同じ14族のGeへ展開する。初年度は主に合成のための環境整備、特に安全設備の構築に努めた。合成時の副生成物として発生するGeH4ガスが比較的危険な有毒性物質のため、その失活方法の確立、安全設備（ガスセンサー）の設置、既存設備（グローブボックス）の改造、合成手順の確認等に取り組んだ。年度後半には液体Geの候補材料として3つの化学構造を検討した。1つ目は環状水素化ゲルマニウムのcyclopentagermanium (CPG)もしくはcylohexagermanium (CHG)、2つ目は鎖状水素化ゲルマニウムのpolydihydrogermanium、3つ目は可溶性の2次元ゲルマニウム（グラフェン構造のゲルマニウムを水素化/アルキル鎖付与した構造）の polygermyneである。初年度はいずれも前駆体の合成に取り組んだ。環状水素化ゲルマニウムは、フェニル基側鎖のCPGおよびCHGの合成に成功した。鎖状水素化ゲルマニウムでは、合成法の探索と合成設備の構築を終えた。最後に2次元ゲルマニウムでは、フェニル基側鎖のpolygermyneの合成に成功した。この中でフェニル基側鎖のpolygermyneについてはトルエン溶液のスピンコート塗布/焼成により、ゲルマニウム純度90%の薄膜を得ることができた。残りの10%はフェニル基由来の炭素であった。フェニル基側鎖を持つため当然炭素の混入はあるものの、塗布型ゲルマニウム薄膜の可能性を得た。今後はフェニル基を何ステップかを介して水素へ置換してゆく。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 環状水素化ゲルマニウム（シクロペンタゲルマニウム、シクロヘキサゲルマニウム）、および2次元水素化ゲルマニウム（polygermyn）については、目的とする構造の前々駆体の構造の合成に成功した。またその構造をMALDI-TOFMSで確認することができた。また一番本命と位置付けている鎖状水素化ゲルマニウム（polydihydrogermanium）は合成方法の難易度が最も高いが、合成方法とその環境整備に目途を付けることができた。水素化をする2ステップ手前となる前駆体構造に至っており、進捗状況は当初の予定通りである。フェニル基側鎖を持つpolygermyneについては塗布法によりGe膜が得られる見通しをつけることができ、本研究の実現可能性を確認することができた。今後、環状水素化ゲルマニウム、2次元水素化ゲルマニウムでは各前々駆体にある側鎖のフェニル基を水素に置き換えることで、高純度なGe膜を得ることができると想定している。一方で鎖状水素化ゲルマニウムは合成設備の構築が終了し、合成に取り掛かることができるようになった。
Strategy for Future Research Activity	「液体Ge」候補となる3つの材料合成（環状水素化ゲルマニウム、鎖状水素化ゲルマニウム、2次元水素化ゲルマニウム）を平行して進めてゆく。どの材料が最終的に求める性能を持つに至るかは慎重に検証を続けるが、いくつかの理由から2番目の鎖状水素化ゲルマニウムが好ましいと推測をしている。それを踏まえ、次年度は炭素鎖の水素置換により、水素とゲルマニウムのみからなる構造へと導く。また適宜薄膜の物性評価にも取り組んでゆく。まずはGeの高純度化が必須となるため、最初はXPSやEDXによる組成分析を行う。ある程度の高純度化が達成でき始めたら、SIMSによる組成分析に移行する。光学特性評価は主にラマン分析、光学バンドギャップ測定に取り組む。また膜の電気特性評価（IV測定）も開始する。
Causes of Carryover	使用/改造予定していた安全設備付きグローブボックスが故障により、当初の予定通りの改造作業に入れなかった。従って急遽臨時のグローブボックスに簡易の安全設備を構築して使用をした。この間、当初予定していたグローブボックスは別予算にて修理を行った。来年度は改めて、この修理済みのグローブボックスの改造作業に本費用を充てる予定である。