2021 Fiscal Year Research-status Report
多孔質ガラス表面上のGe量子構造創製と光電子融合素子への応用
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20K21009
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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, 理工学部, 教授 (90409376)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤間 卓也 東京都市大学, 理工学部, 教授 (40392097)
藤田 博之 東京都市大学, 付置研究所, 教授 (90134642)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | ゲルマニウム / 多孔質ガラス / ナノドット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、透明基板やフレキシブル基板上のIoTデバイス実現に向けて、ナノ多孔層を有するガラス基板上への高品質な半導体量子ナノ構造形成技術の確立を目指している。
ガラス基板上のGeナノ結晶の作製のため、ガラス基板表面から階層的にサイズが変化するナノ多孔層（HNL）を溶液エッチングによって形成し、そのHNLガラス基板上に固体ソースMBEを用いてアモルファスGeを堆積後、結晶化アニールを行い、Geナノ結晶の作製を試みた。
昨年度までに、ナノ結晶の単結晶成長と強い発光が確認されているが、ガラス中に形成されたナノ構造と、ガラス上部の膜状Geのどちらからの発光でるかの区別が付けられない問題があった。今年度は、上部薄膜をエッチングすることで発光がどのように変化するかを詳細に調べた。Geのエッチングは過酸化水素水により行った。その結果、HNL基板上にGeを堆積した試料においては、エッチングと共に発光強度が増大することが確認された。これは、上部のGe薄膜をエッチングによって除去することで、フォトルミネッセンス測定の励起レーザー光が内部まで侵入し、より内部の構造からの発光を評価できるようになったためである。つまり内部のGeの方が発光強度が強いことを示している。これは、内部にGeナノ構造が形成されていることを強く示唆している。これと比較して、HNLを有していない未処理のガラス基板上にGeを同様に形成した試料では、エッチングと共に強度は特に変化せず、Ge層の減少と共に強度減少が見られた。つまり、Geナノ構造が形成されていないことを示している。以上の結果より、ガラス基板にHNL形成することで、その上にGeナノ構造が形成されたことが示された。
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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
研究計画の第１目標として、ナノ多孔層を有するガラス上へのゲルマニウム・ナノ結晶の形成を挙げていた。これはこれまでにすでに達成された。また、第2目標として、形成したGeナノ結晶から発光を得ることを挙げていたが、強い室温フォトルミネッセンス発光が得られており、これも達成している。特に上部エッチングによって、ナノ構造からの発光であることを実証している。また、ラマン分光法によって結晶化や結晶性の評価も進んでおり、おおむね順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
Geナノ構造からの室温発光が得られたので、今後は量子閉じ込めサイズの影響を調べ、発光波長制御に向けて取り組んでいく。量子効果によって、本来のGeのバンドギャップエネルギー（赤外領域）よりも発光エネルギーがシフトしている。ナノ構造のサイズによりその変化を調べ、構造評価との比較を行う。構造評価としては、SEMやTEMを活用する。また、電流注入発光に向けて、発光ダイオードデバイスの作製を開始する。ｐｎ接合構造は、MBEにおけるＰとＧａのドーピングによって行う。まずはダイオードの電流・電圧特性評価を調べ、ナノ構造における伝導特性を明らかにする。その上で、EL発光が得るために構造やドーピング濃度の最適化を進める。
また、ガラス上のナノ構造やアモルファス層を利用することで、貼り合わせによる完全単結晶層のガラス上転写を進める。ナノ構造を形成した後、そのガラス基板上に、別のSi基板上に結晶成長した単結晶Ge(SiGe)膜を直接貼り合わせ、熱処理によって結晶化と共に結合を図る。貼り合わせ強度向上のために、パターニングによる応力緩和や、選択エッチングの条件最適化を進める。貼り合わせ後に、その発光特性、電気伝導特性、結晶歪みの評価を行い、ガラス基板上の高機能Ge（SiGe）単結晶薄膜の実現へ向けた作製プロセスを探索する。
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| Causes of Carryover |
国際会議や国内会議が全てオンラインになり、旅費がかからなかったことや、作製した試料の発光特性評価に時間をかけ、試料作製数が想定より少なかったため。また分析委託が予定よりも少なかったため。
今年度は、試料の作製を増やすため、結晶成長用のGeソース、ガラス基板、装置のメンテナンス等に予算を利用する。また、ナノ結晶構造評価として、TEMやSIMSなどの分析外部委託に予算を利用する予定である。
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