2022 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 – 2024-03-31
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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、ガラス基板へナノ多孔層を導入し、それを利用した半導体量子ナノ構造形成技術の創出を目指している。具体的には、ガラス基板表面に、溶液エッチングによって階層的にサイズが変化するナノ多孔層（HNL）を形成し、その上にアモルファスGeを堆積後、結晶化アニールを行うことで、Geナノ結晶をHML内に形成し、その発光特性評価を進めてきた。昨年度までに、HNLによってGeナノ構造が形成され、それが強い発光を実現していることを示した。今年度は、さらにその発光強度の増加と発光ピーク制御を目指し、ガラス基板のマイクロ構造加工による光共振器構造の形成を試み、その発光特性を調べた。
まず光閉じ込めと光共振が生じるかどうかの確認として、Si上のGe単結晶薄膜をマイクロブリッジ（以下MB）構造に加工し、その発光特性を調べた。ドライエッチングによって上部Geと下部のSi基板の一部までエッチングし、その後KOHによる選択エッチングによってGeブリッジ部分の下部のSiを除去することで、完全浮遊型のMBを完成させた。ブリッジ幅を数μmから数十μmまで変化させた各MB構造のフォトルミネッセンス（PL）を室温にて測定した。MB加工によって飛躍的に発光強度が増大すると共に、1.5～2μmの領域で強い共振ピークが複数確認された。そのピーク周期はブリッジ幅に対応していることも確認され、ブリッジの側壁での反射による共振が生じ、発光強度増大につながっていることが示された。これらの知見を生かし、Geナノ構造を有するHNLガラスのMB加工を試みた。その結果、良好なMB構造がHMLガラス基板上に形成され、発光強度の大きな増加が得られた。しかしながら、Ge薄膜MBと比較して、急峻な共振ピークは見られず、ガラスの低い屈折率やブリッジ側壁のラフネスなどの影響による低反射率が要因であることを示唆する結果と言える。
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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・ナノ結晶の形成と、そのGeナノ結晶から発光を得ることを挙げていたが、すでに強い室温フォトルミネッセンス発光が得られている。本年度は、さらに共振器構造の形成に取り組んだ。HNLガラスでのプロセスの前に、Ge薄膜でマイクロブリッジ構造を形成し、非常に強い共振発光が室温で得られた。これは、Si系材料の発光デバイス応用として非常に有用な知見を与えており、シリコンフォトニクス分野に広く貢献できるものと考えている。これらの知見を踏まえ、同様のマイクロブリッジ構造をGeナノ結晶を含むHNLガラスに適用したところ、Ge薄膜ほどの鋭い共振は得られなかったものの、室温発光強度の大幅増大が確認できた。
以上のことより、本研究は順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
HNLガラス基板上に形成したGeナノ構造から、マイクロブリッジ構造形成による室温発光増大が得られたので、今後はその構造最適化を進めることで、鋭い共振発光の取得を目指す。特にHNLを有するガラスにおけるドライエッチングのプロセスをより詳細に調べ、垂直な端面を出せるような最適条件を探索する。また、ガラス内への閉じ込めが低屈折率により低いことも要因として考えられるため、端面への薄膜形成を試みる。
その次の段階として、発光ダイオードによる室温電流注入発光を目指して、pn接合の形成、ブリッジ構造への電極形成を進める。特に、ＰとＧａのGeナノドット内へのドーピング制御技術を確立する。
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が期待できる。しかしながら、貼り合わせのためには、表面平坦性が極めて重要である。HNLガラス基板上のGeナノドットとその上のGe薄膜構造も、ドット由来のラフネスが避けられないため、まずは、ドットを保持したままGe表面平坦化を実現するためのCMP技術を確立する必要がある。同時に、貼り合わせ後に、貼り合わせたGe薄膜の下地Siの完全除去のための技術開発も必要となる。レーザーマーカを利用した下地Siのエッチング手法を試みる。
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| Causes of Carryover |
年度半ばに、研究に利用する全ての装置が設置されている、クリーンルーム実験室の学内キャンパス間の移動があり、4か月近く全ての装置の利用ができず、実験ができなかったので、予算使用が減少したことが主な理由である。
次年度は、Ge薄膜形成のためのGeソース材料、ガラスや半導体基板、マイクロブリッジ構造形成などのプロセスのために利用するレジスト類、薬品類の購入に使用する計画である。
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