2020 Fiscal Year Research-status Report
Formation of Ge two-dimensional crystals embedded into Si oxide and its device application
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20K21142
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大田 晃生 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10553620)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧原 克典 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90553561)
田岡 紀之 名古屋大学, 工学研究科, 特任准教授 (50626009)
洗平 昌晃 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | ゲルマニウム / 二次元結晶 / 電子物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は、表面偏析を利用した極薄Ge結晶の形成について、基板面方位による結晶構造制御、基板加熱によるGe層表面偏析制御、極薄Ge結晶の熱安定性に注力して、研究を推進した。
基板面方位が異なるGe(100)およびGe(111)構造上にAgを形成し、熱処理温度を最適化することにより、四回もしくは三回回転対称な構造を持つ非常に平坦な表面を形成することができた。Ag表面が結晶成長のテンプレ―トとなることを考慮すると、表面偏析するGeの結晶構造を基板の面方位で制御できることが示唆された。Ag／Ge(100)構造の表面平坦化は300 度の熱処理で進行し、その温度はAl/Ge(111)の場合に比べ~150度ほど低い。さらに、Ag／Ge(111)では、熱処理により表面平坦化することにより、安定性が向上する。熱処理により表面平坦化した試料表面には、高結晶性のGe薄膜が成長することも明らかにできた。
また、Al／Ge(111)構造において、真空蒸着によるAl堆積時に基板加熱することで、Al薄膜上に極薄Ge結晶が偏析できることが分かった。基板加熱により表面平坦化が進むが、200度以上では表面荒れが生じた。また、基板温度の制御により原子数層分程度の極薄Ge結晶を形成できることが明らかになった。さらに、表面偏析により形成した極薄Ge結晶を窒素雰囲気中で追加熱処理を行うことで熱安定性を評価した。400度以上は一部のGeが酸化するものの、300度まで安定であった。さらに、極薄Ge結晶をPMMAによる保護膜と化学薬品を用いて、SiO2/Si基板上に転写を試みた。光電子分光測定より、転写したSiO2/Si上で表面に形成したAl酸化物とGeを転写できたが、酸化抑制などのため今後、保護膜形成などのプロセス中に改善が必要であることが分かった。
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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
表面偏析を利用した極薄Ge結晶の形成について、下記の成果を得ることができた。Ge(100)およびGe(111)上に形成したAgでは、どちらの場合も熱処理により表面平坦化が可能であり、同時に表面偏析するGe結晶の結晶構造を基板面方位で制御できることが示唆された。Al／Ge(111)構造では、真空蒸着によるAl堆積時に基板加熱することで、原子数層分程度の極薄Ge結晶が形成し、基板温度の制御によりその厚さを調整できることが分かった。また、極薄Ge結晶は窒素雰囲気中300度の熱処理においても安定であった。さらに、Al上に形成した極薄Ge結晶を、一部酸化した状態ではあるが、SiO2/Si基板上に転写することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、反射分光や反射高速電子線回折などにより熱処理に伴う試料表面の化学構造変化をリアルタイムに観測することで、二次元結晶の形成を精密に制御する。加えて、第一原理計算により極薄Ge膜の膜厚に対する電子状態の変化を明らかにする。また、保護膜の形成プロセスや化学薬品の調整することで、析出した極薄Ge膜のSiO2／Si基板上への転写技術を確立することに取り組む。さらに、素子分離や電極形成を行うことで、極薄Ge膜のキャリア輸送特性や電界効果による変調などを精査する。
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| Causes of Carryover |
予定していた学会がオンラインでの開催となっていたため、計上していた旅費を使わずに繰り越した。該当する金額は二次元結晶形成装置の改良に充てる予定である。また、一部の物品が海外での生産で、納品が遅れている。
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