Creation of functional metastable silicon-based multiple element materials by controlling light elements

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00303
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 宇佐美 徳隆 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20262107)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大山 研司 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (60241569)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 多元混晶 / 軽元素 / 局所構造 / 白色中性子ホログラフィー

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、シリコン系半導体において、多元素化と準安定相の実現により、飛躍的な高性能・高機能化が見込まれるシリコンゲルマニウムスズ混晶に着目し、固溶限界を超えるスズ組成を実現する非平衡成長技術の開発と、機能発現の鍵となるドーパントや欠陥終端のための水素などの軽元素局所構造の観測手法の確立を目指している。
成長技術開発に関する研究では、前年度までに、アルミニウムとゲルマニウムの合金粒子を含むペーストのシリコン基板上への印刷と短パルスレーザアニールによるシリコンゲルマニウム混晶薄膜の成長実験を実施した。その結果として得られた非平衡成長のプロセス設計指針に基づき、今年度は、ゲルマニウム基板上に固溶限界を超えるスズを含むゲルマニウムスズ混晶薄膜の成長を試みた。レーザ照射条件を変化させた試料を1枚の基板上に形成し評価を行うハイスループット実験を実施した結果、適切なレーザ照射条件では、薄膜成長を示唆する明瞭な体積増加を観測した。成長した試料の顕微ラマンスペクトルでは、ゲルマニウムスズの形成を示唆する明瞭なピークシフトが観測された。さらに、エックス線逆格子マッピングにより、平衡固溶限を超える10%程度のスズが固溶したエピタキシャル膜が形成されたことが実証された。
併行して、本研究課題で構築した多検出器系を用いてパラジウム水素化合物を対象とした中性子ホログラフィー実験を、異なる条件で２回実施した。その結果、類似した原子像が得られた。原子像は測定ホログラムのフーリエ変換で得られるが、その実部、虚部を詳細に理論値と比較することで、水素が観測できている可能性が高いことを示すことができた。
このような多元素準安定材料の創成技術と軽元素局所構造の観測手法を連携させることで、非平衡組織や準安定相を含む未踏物質における構造と機能の関係の解明につながることが期待される。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of instruments for imaging of local magnetic structure by magnetic neutron holography (2024)
  • Author(s): Kanno Tomoya、Ohoyama Kenji、Nakada Hajime、Fukui Yuto、Yamakawa Kota、Hoshi Shota、Takano Motoki、Kobayashi Yodai、Tomimatsu Yuka、Takahashi Shingo、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kobayashi Ryuju、Takada Shusuke、Harada Masahide、Oikawa Kenichi、Inamura Yasuhiro、Shishido Toetsu、Sato Keisuke、Hayashi Kouichi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1064 Pages: 169349-169349
  • DOI: 10.1016/j.nima.2024.169349
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Crystal growth of group IV mixed crystal thin films using screen-printing and pulse laser annealing (2024)
  • Author(s): T. Sato, S. Suzuki, H. Minamiyama, M. Dhamrin, S. Miyamoto, N. Usami
  • Organizer: 2024 Korea-Japan PV Joint Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 印刷とパルスレーザーアニールによるSi基板上へのSiGe薄膜成長 (2024)
  • Author(s): 佐藤剛志, 宮本聡, 鈴木紹太, 南山偉明, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 印刷とパルスレーザーアニールによるGe基板上へのGeSn薄膜成長 (2024)
  • Author(s): 佐藤剛志, 宮本聡, 鈴木紹太, 南山偉明, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] SiGe epitaxial growth via pulsed laser annealing of Al-Ge pastes on Si (2023)
  • Author(s): T. Sato, S. Miyamoto, L. Xuan, S. Suzuki, M. Dhamrin, N. Usami
  • Organizer: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A challenge of observing hydrogen atoms in metals using white neutron holography (2023)
  • Author(s): Y. Tomimatsu, Y. Kobayashi, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, S. Ajito, E. Akiyama, S. Orimo, K. Hayashi, K. Ohoyama
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron scattering technique with element selectivity for study of hyper-ordered structures of light elements (2023)
  • Author(s): K. Ohoyama, Y. Kobayashi, Y. Tomimatsu, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, Y. Inamura, K. Oikawa, N. Happo, K. Hayashi
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A challenge of observing hydrogen atoms in metals using white neutron holography (2023)
  • Author(s): Y. Tomimatsu, Y. Kobayashi, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, S. Ajito, E. Akiyama, S. Orimo, K. Hayashi, K. Ohoyama
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
  • Int'l Joint Research