2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of GeSn-based NIR sensing devices
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20H02620
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
細井 卓治 関西学院大学, 工学部, 准教授 (90452466)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | GeSn / 結晶化 / 赤外光学素子 / センシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高品質ゲルマニウム-スズ混晶半導体による赤外受光／発光素子を集積したセンシングデバイス創出を目的としている。昨年度までに、石英基板上でワイヤ状に加工してSiO2層でキャップしたアモルファスGeSn層に対して、細長い楕円状に整形したレーザー光（波長808nm）を走査して、ワイヤの端から端までmmオーダーで結晶化することに成功した。また、顕微ラマン分光、顕微フォトルミネッセンスにより、優れた結晶性および光学特性を有することを確認した。
本年度は、レーザー結晶化技術を応用して、高Sn濃度GeSn領域をワイヤ中央部に設けた横型ダブルヘテロ構造の作製に取り組んだ。一度レーザー走査により結晶化したGeSnワイヤに再度逆方向にレーザーを走査したところ、ワイヤ端に存在するSn析出がレーザー再走査に伴って逆側に移動することを確認した。さらに、逆方向への再走査の途中でレーザー照射をやめることで、高Sn濃度GeSn領域をワイヤ中央部に設けた横型ダブルヘテロ構造が作製できた。一方で、顕微ラマン分光、顕微フォトルミネッセンスによる分析により、再走査後も単結晶GeSn層が形成されていることがわかったが、その結晶性は1回走査の身と比べて劣ることがわかった。一度結晶化したGeSn層を再度溶融・結晶化することは望ましくないと考えられる。一方、同条件での結晶化をシリコンウェハ上で行ったところ、GeSnが溶融せず、単結晶とならないことがわかった。レーザー照射中の熱分布について有限要素法によるシミュレーションを行い、この原因はシリコンウェハへの放熱にあることが明らかとなった。さらにシミュレーションを行ったところ、光吸収層をSiO2キャップ層上に設けることでシリコンウェハ上でも単結晶GeSn形成が可能であることを見出した。
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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
レーザー結晶化によるGeSn横型ダブルヘテロ構造の形成に成功した。また、シリコンウェハ上では石英基板上と同条件の実験ではGeSn単結晶は得られなかったが、再表面に光吸収層を設けることで結晶化に必要な局所溶融状態にできることを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度作製したGeSn横型ダブルヘテロ構造は結晶化が低いことが示唆されたことから、光吸収層の利用も含めた試料パターンや、走査するレーザー形状や走査速度、キャップ層の材質などを検討し、結晶化向上につなげる。
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