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2015 Fiscal Year Annual Research Report

Ge-CMOSと混載可能な高性能Ge-光素子実現のための基盤技術開発

Research Project

Project/Area Number 26289090
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

王 冬  九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (10419616)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中島 寛  九州大学, 産学連携センター, 教授 (70172301)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
KeywordsGe光素子 / CMOS / 電子・電気材料 / 金属/半導体コンタクト / 局所歪み
Outline of Annual Research Achievements

H27年度の研究成果は以下の通りである。
(1) 金属-Ge-金属(MGeM)素子の試作に於いて、金属コンタクトの形成法を変更し、MGeM素子の発光・受光特性の改善を図った。HfGeに代わるPtGe/Geコンタクトの形成プロセスを確立した。透過電子顕微鏡の観察によって、厚さ20 nmのPt堆積に対して、PtGe層の厚さは60 nmであることが分かった。また、正孔障壁高さが-0.01 eVと極めて低いことが分かった。この変更により、発光強度が約5倍増強し、暗電流が約8倍低減した。更に、寄生抵抗の低いPtGeの使用により、基板加熱に伴うピーク位置シフトが著しく減少した。
(2) 表面パッシベーション方法の変更によりMGeM素子の発光・受光特性を改善した。高品質なパッシベーション膜の形成方法として、Bi-Layer Passivation (BLP)法を導入した。深い準位過渡分光法によってパッシベーション膜とGeの界面準位密度を評価し、BLP法では界面準位密度が低減すること、を確認した。結果として、これまで用いてきたECR法と比べて、BLP法で作製した素子は発光強度が約1.6倍増加し、暗電流が約1.5倍低減した。PtGe/GeコンタクトとBLP法を併用することにより、MGeM素子の発光強度が約8倍増加し、暗電流が10倍以上低減し、受光感度が約1.6倍増加した。
(3) MGeM素子の発光機構の解明を更に深化させた。TiN/Ge/TiN構造の対称MGeM素子を作製して無発光を確認すると共に、非対称構造による少数キャリア注入の有効性を実証した。発光強度の発光面積依存性を調査し、電極間Ge面から均一に発光していることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の当初目標は、受光素子の暗電流:1桁の低減、発光素子の直接遷移発光効率:10 倍の向上、波長1.55μm 光に対する1 V での受光感度:0.4 A/W 以上、帯域幅:20 Gbs 以上、とした。H27年度時点で、受光素子の暗電流が1桁以上低減、発光素子の直接遷移発光効率が約8 倍向上、波長1.55μm 光に対する1 V での受光感度は0.7 A/W以上、の結果を得ている。実験装置の整備が遅れているため、高周波数特性の測定が遅延しているが、直流性能は当初目標を上回る結果を得ている。以上より、研究は全体的に順調に進展していると判断している。

Strategy for Future Research Activity

H28年度は下記の研究計画を実施する。
(1) 局所歪みの導入とその適正化:発光素子では、1.7μm以下の波長が必要なので、0.5%の歪みを目標とする。受光素子では、0.8%の歪みを目標とする。Ge光素子表面に形成した保護膜上にSiN膜を堆積し、受光・発光部に誘起される局所歪みと欠陥を顕微ラマンと顕微PLで評価する。局所歪みの導入と適正化による発光・受光効率の向上を確認する。
(2) 非対称MGeM素子の高周波特性評価:コンタクト形成、保護膜形成、局所歪み導入、基板の不純物濃度を適正化して試作したMGeM素子の直流・高周波特性を評価し、受光・発光性能を明確化する。評価結果を基に、素子寸法・形状の適正化を図る。
(3) H28年度にGOI基板の作製に取り組む。GOI基板の作製技術が確立した後、GOI基板上へ非対称MGeM素子を試作し、電気特性、発光・受光の直流・高周波特性等を評価し、より高性能を実現する。

Remarks

http://www.astec.kyushu-u.ac.jp/nakasima/naka_home.htm

  • Research Products

    (20 results)

All 2016 2015

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 4 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Direct band gap light emission and detection at roomtemperature in bulk germanium diodes with HfGe/Ge/TiN structure2016

    • Author(s)
      Dong Wang, Takayuki Maekura, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: 602 Pages: 43-47

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2015.09.074

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effects of metal/Ge contact and surface passivation on direct band gap light emission and detection for asymmetric metal/Ge/metal diodes2016

    • Author(s)
      Takayuki Maekura, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima, Dong Wang
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 04EH08-1-5

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.04EH08

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Electrical and structural properties of group-4 transition-metal nitride (TiN, ZrN, and HfN) contacts on Ge2015

    • Author(s)
      Keisuke Yamamoto, Ryutaro Noguchi, Masatoshi Mitsuhara, Minoru Nishida, Toru Hara, Dong Wang, Hiroshi Nakashima
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 118 Pages: 115701-1-12

    • DOI

      10.1063/1.4930573

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Electrical Properties of Group 4 Metal-Nitride/Ge Contacts and the Application to Ge Optoelectronic Devices2015

    • Author(s)
      Hiroshi Nakashima, Keisuke Yamamoto, Dong Wang
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 69 Pages: 55-66

    • DOI

      10.1149/06910.0055ecst

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Fabrication of PtGe/Ge contacts with high on/off ratio and its application to metal source/drain Ge p-channel MOSFETs2015

    • Author(s)
      Yuta Nagatomi, Shintaro Tanaka, Yuichi Nagaoka, Keisuke Yamamoto, Dong Wang, Hiroshi Nakashima
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 54 Pages: 070306-1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.54.070306

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 金属/Ge接合及びn+/Ge接合を用いたGeトンネルFETの作製と評価2016

    • Author(s)
      山本 圭介、岡本 隼人、王 冬、中島 寛
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] ゲートスタック中へのAl導入によるGe p-MOSFETの正孔移動度向上2016

    • Author(s)
      永冨 雄太、田中 慎太郎、建山 知輝、山本 圭介、王 冬、中島 寛
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] メタルS/D型Ge n-MOSFETの寄生抵抗低減2016

    • Author(s)
      建山 知輝、永冨 雄太、田中 慎太郎、山本 圭介、王 冬、中島 寛
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2016-03-19
  • [Presentation] Influences of metal/Ge contact and surface passivation on direct band gap light emission and detection for asymmetric metal/Ge/metal diodes2016

    • Author(s)
      Takayuki Maekura, Chisato Motoyama, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima, Dong Wang
    • Organizer
      9th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics and JSPS Core-to Core Program Joint Seminar
    • Place of Presentation
      Tohoku University
    • Year and Date
      2016-01-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mechanism of mobility enhancement in Ge p-MOSFET due to introduction of Al atoms in SiO2/GeO2 gate stacks2016

    • Author(s)
      Yuta Nagatomi, Shintaro Tanaka, Tomoki Tateyama, Keisuke Yamamoto, Dong Wang, Hiroshi Nakashima
    • Organizer
      9th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics and JSPS Core-to Core Program Joint Seminar
    • Place of Presentation
      Tohoku University
    • Year and Date
      2016-01-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electrical properties of metal-nitride/Ge contacts and the application to Ge optoelectronic devices2015

    • Author(s)
      Hiroshi Nakashima, Keisuke Yamamoto, Dong Wang
    • Organizer
      The 2nd International Conference & Exhibition for Nanopia
    • Place of Presentation
      Changwon Exhibition Convention Center, Gyeongsangnam-do, Korea
    • Year and Date
      2015-11-12
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Direct band gap light emission and detection in lateral HfGe/Ge/TiN diodes2015

    • Author(s)
      Dong Wang, Takayuki Maekura, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima
    • Organizer
      American Vacuum Society (AVS) Shanghai Thin Film Conference
    • Place of Presentation
      Fuxuan Hotel, Shanghai, China
    • Year and Date
      2015-10-24
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electrical characterization of SiGe-on-insulator fabricated using Ge condensation by dry oxidation2015

    • Author(s)
      Hiroshi Nakashima, Keisuke Yamamoto, Dong Wang
    • Organizer
      American Vacuum Society (AVS) Shanghai Thin Film Conference
    • Place of Presentation
      Fuxuan Hotel, Shanghai, China
    • Year and Date
      2015-10-24
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electrical Properties of Group 4 Metal-Nitride/Ge Contacts and the Application to Ge Optoelectronic Devices2015

    • Author(s)
      Hiroshi Nakashima, Keisuke Yamamoto, Dong Wang
    • Organizer
      228th ECS Meeting
    • Place of Presentation
      Phoenix, AZ, USA
    • Year and Date
      2015-10-12
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] PtGe-Source/Drain Ge p-MOSFET with High On/Off Ratio and Low Parasitic Resistance2015

    • Author(s)
      Shintaro Tanaka, Yuta Nagatomi, Yuichi Nagaoka, Keisuke Yamamoto, Dong Wang, Hiroshi Nakashima
    • Organizer
      2015 International Conference on Solid State Devices and Materiaals (SSDM2015)
    • Place of Presentation
      Sapporo Convention Center, Japan
    • Year and Date
      2015-09-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Influences of Metal/Ge Contact and Surface Passivation on Light Emission and Detection for Asymmetric Metal/Ge/Metal Diodes2015

    • Author(s)
      Takayuki Maekura, Dong Wang, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima
    • Organizer
      2015 International Conference on Solid State Devices and Materiaals (SSDM2015)
    • Place of Presentation
      Sapporo Convention Center, Japan
    • Year and Date
      2015-09-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 低い正孔障壁を有するPtGe/Geコンタクトの作製とメタルS/D型Ge p-MOSFETへの適用2015

    • Author(s)
      永冨 雄太, 田中 慎太郎, 長岡 裕一, 山本 圭介, 王 冬, 中島 寛
    • Organizer
      シリコン材料・デバイス研究会
    • Place of Presentation
      名古屋大学
    • Year and Date
      2015-06-19
  • [Presentation] Direct-bandgap light emission and detection at room temperature in bulk-Ge diodes with HfGe/Ge/TiN structure2015

    • Author(s)
      Dong Wang, Takayuki Maekura, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima
    • Organizer
      9th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-9)
    • Place of Presentation
      The University of Montreal, Quebec, Canada
    • Year and Date
      2015-05-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Barrier Height Modulation for Metal/Ge Contacts with Nitrogen-Contained Amorphous Interlayers2015

    • Author(s)
      Keisuke Yamamoto, Ryutaro Noguchi, Masatoshi Mitsuhara, Minoru Nishida, Toru Hara, Dong Wang, Hiroshi Nakashima
    • Organizer
      9th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-9)
    • Place of Presentation
      The University of Montreal, Quebec, Canada
    • Year and Date
      2015-05-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Contact Formation for Metal Source/Drain Ge-CMOS2015

    • Author(s)
      Hiroshi Nakashima, Keisuke Yamamoto, Dong Wang, Masatoshi Mitsuhara, Ryutaro Noguchi, Keisuke Hiidome, Minoru Nishida
    • Organizer
      9th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-9)
    • Place of Presentation
      The University of Montreal, Quebec, Canada
    • Year and Date
      2015-05-19
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2017-01-06  

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