高移動度半導体薄膜の低温プロセス技術に基づく超高速フレキシブルCMOSの開発

• Project/Area Number: 20J01059
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 茂藤 健太 九州大学, 総合理工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ゲルマニウムスズ / 薄膜トランジスタ（TFT） / 固相成長 / 薄膜トランジスタ

Outline of Research at the Start

本研究では、超高速薄膜トランジスタ(TFT)をプラスチック上に創出すると共に、CMOS動作を実証することを目的とする。具体的には、以下を実施する。
① シーズのp型GeSn薄膜について、欠陥の低減・補償により正孔密度を低減する。
② 低温ドーピング技術を構築し、n型化する。
③ 受入研究者のシーズ「金属/Geショットキー接合技術」を適用して優れたソース・ドレイン(S/D)接合を確立するとともに、反転動作のp/nチャネルTFTを実現する。
④ 上記のp/n-TFTを組み合わせ、世界初となるプラスチック上GeSnによる高速CMOS動作を実証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、プラスチック上のpチャネル/nチャネル薄膜トランジスタ（TFT）からなるCMOSを構築し、ウェアラブルで高性能な情報端末を実現することを目指して研究を進めてきた。これを実現し得る半導体材料として、GeおよびGeSnに着眼し、前年度までに、pチャネルGeSn-TFTの高性能化とnチャネルTFTに向け必須となる低電子障壁を有する金属/Geコンタクトの形成を実現した。本年度は、金属/Geコンタクトの更なる理解・制御とnチャネルTFTの作製に取り組んだ。
前年に形成したp型Ge上ZrNショットキー障壁について、ZrN/多結晶Ge構造の断面構造を詳細に観察したところ、界面に窒素を含む非晶質層が形成されていることが明らかになった。これは、低電子障壁の実現を困難にしていたフェルミレベルピニング（FLP）を界面層の窒素由来のダイポールが緩和していることを示唆している。このZrN/非晶質界面層/多結晶Ge構造について、ZrNを選択エッチングした後、仕事関数の異なる種々の金属を形成する実験を行った。この結果、金属の仕事関数を反映して整流特性の変化が確認でき、多結晶Ge上でショットキー障壁高さの広範な制御が可能であることを示すことができた。本技術は、TFTのみならず、金属コンタクトを持つあらゆる多結晶Geの電子デバイスにも適用可能である。これまでに構築してきた技術を元に、多結晶Ge上ZrNコンタクトをソース/ドレインに用いたnチャネルTFTを作製した。伝達特性、出力特性から典型的なnチャネルトランジスタ動作が確認できた。このnチャネルTFTを前年度までに確立したpチャネルTFTと組み合わせることで、CMOS回路への応用が期待される。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Solid-phase crystallization of GeSn thin films on GeO2-coated glass (2022)
  • Author(s): T. Mizoguchi, T. Ishiyama, K. Moto, T. Imajo, T. Suemasu, and K. Toko
  • Journal Title: phisica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters Volume: 16 Issue: 1 Pages: 2100509-2100509
  • DOI: 10.1002/pssr.202100509
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sn Concentration Effects on Polycrystalline GeSn Thin Film Transistors (2021)
  • Author(s): Moto Kenta、Yamamoto Keisuke、Imajo Toshifumi、Suemasu Takashi、Nakashima Hiroshi、Toko Kaoru
  • Journal Title: IEEE Electron Device Letters Volume: 42 Issue: 12 Pages: 1735-1738
  • DOI: 10.1109/led.2021.3119014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Underlayer Selection to Improve the Performance of Polycrystalline Ge Thin Film Transistors (2020)
  • Author(s): Imajo Toshifumi、Moto Kenta、Yamamoto Keisuke、Suemasu Takashi、Nakashima Hiroshi、Toko Kaoru
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 98 Issue: 5 Pages: 423-427
  • DOI: 10.1149/09805.0423ecst
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Control of Schottky Barrier Height at Metal/Polycrystalline Ge Interfaces with Fermi Level Pinning Alleviation (2023)
  • Author(s): K. Moto, K. Toko, T. Takayama, T. Imajo, and K. Yamamoto
  • Organizer: International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostrucures International SiGe Technology and Device Meeting (ICSI-ISTDM 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polycrystalline Thin-Film Transistor Based on Solid-Phase Crystallized Ge and GeSn (2023)
  • Author(s): K. Moto, K. Yamamoto, and K. Toko
  • Organizer: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improved Carrier Mobility of Sn-Doped Ge Thin-Films (≦20 nm) by Post-Annealing for Thin-Film Transistor Application (2023)
  • Author(s): T. Koga, T. Nagano, K. Moto, K. Yamamoto, and T. Sadoh
  • Organizer: AM-FPD23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 絶縁膜上におけるSn添加Ge薄膜の固相成長とTFT応用 (2023)
  • Author(s): 古賀 泰志郎、永野 貴弥、茂藤 健太、 山本 圭介、 佐道 泰造
  • Organizer: 電子情報通信学会 シリコン材料・デバイス研究会（SDM）
• [Presentation] 高速薄膜トランジスタに向けたGeSn極薄膜の選択的核生成 (2023)
  • Author(s): 前田真太郎, 石山隆光, 茂藤健太, 山本圭介, 末益崇, 都甲薫
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] First Demonstration of Rectifying Schottky Contact on Polycrystalline P-Type Ge UsingZrN Electrode (2022)
  • Author(s): K. Moto, K. Toko, T. Takayama, T. Imajo, and K. Yamamoto
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interface-Modulated Solid-Phase Crystallization of Sn-Doped Ge Ultra-thin Films forAdvanced TFT (2022)
  • Author(s): T. Sadoh, T. Nagano, T. Koga, K. Moto, and K. Yamamoto
  • Organizer: The 29th International Display Workshops (IDW '22)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improved Carrier Mobility of Sn-Doped Ge Ultrathin (<50) Films on Insulator by a-Si Capping in Solid-Phase Crystallization (2022)
  • Author(s): T. Nagano, R. Hara, K. Moto, K. Yamamoto, and T. Sadoh
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improved Solid-Phase Crystallization of Sn-Doped Ge Thin Films (<50 nm) on Insulator by a-Si Capping (2022)
  • Author(s): T. Nagano, R. Hara, K. Moto, K. Yamamoto, and T. Sadoh
  • Organizer: International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-IX)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel group IV semiconductor materials and devices for beyond Si technology (2022)
  • Author(s): K. Yamamoto, T. Matsuo, D. Wang, K. Moto, K. Toko, and H. Nakashima
  • Organizer: Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication and evaluation of polycrystalline Ge-based thin-film transistors on glass (2022)
  • Author(s): T. Takayama, K. Moto, K. Yamamoto, T. Imajo,K. Toko
  • Organizer: Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多結晶p型Ge上におけるショットキー整流性コンタクトの形成 (2022)
  • Author(s): 茂藤 健太、都甲 薫、高山 智成、今城 利文、山本 圭介
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 金属/多結晶Ge界面におけるフェルミレベルピニングの緩和とショットキー障壁制御 (2022)
  • Author(s): 高山 智成、茂藤 健太、都甲 薫、王 冬、山本 圭介
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 界面変調型固相成長とポストアニールの重畳による Sn添加多結晶Ge極薄膜の高キャリア移動度化 (2022)
  • Author(s): 古賀 泰志郎、永野 貴弥、茂藤 健太、山本 圭介、佐道 泰造
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Sn Doping Effects on Polycrystalline Germanium Thin-Film Transistors on Glass (2021)
  • Author(s): K. Moto, K. Yamamoto, T. Suemasu, H. Nakashima, and K. Toko
  • Organizer: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First demonstration of photoresponsivity in a polycrystalline Ge-based thin film (2021)
  • Author(s): T. Mizoguchi, T. Imajo, K. Moto, T. Suemasu, and K. Toko
  • Organizer: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固相成長GeSn 薄膜トランジスタにおけるSn 組成の影響 (2021)
  • Author(s): 茂藤健太，山本圭介，今城利文，末益崇，中島寛，都甲薫
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 多結晶Ge 系薄膜における分光感度の初実証 (2021)
  • Author(s): 溝口拓士，茂藤健太，末益崇，都甲薫
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] a-Si キャップ付加による界面変調Sn 添加Ge 極薄膜/絶縁基板のキャリア移動度向上 (2021)
  • Author(s): 原龍太郎，千代薗修典，茂藤健太，山本圭介，佐道泰造
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 多結晶Ge膜におけるアクセプタ欠陥低減と分光感度実証 (2021)
  • Author(s): 溝口拓士, 今城利文, 茂藤健太, 末益崇, 都甲薫
  • Organizer: 第12回半導体材料・デバイスフォーラム
• [Presentation] 多結晶Ge-TFTの性能評価と粒界・方位制御技術 (2021)
  • Author(s): 石山隆光, 今城利文, 茂藤健太，山本圭介, 末益崇, 都甲薫
  • Organizer: 第12回半導体材料・デバイスフォーラム
• [Presentation] ガラス上における多結晶 Ge 系薄膜トランジスタの作製と評価 (2021)
  • Author(s): 高山智成, 茂藤健太, 山本圭介, 今城利文, 末益崇, 都甲薫
  • Organizer: 令和3年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [Presentation] Sn Doping Effects in Solid-Phase Crystallized Ge Thin-Film Transistors (2020)
  • Author(s): K. Moto, K. Yamamoto, T. Suemasu, H. Nakashima, K. Toko
  • Organizer: PRiME2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Underlayer Selection to Improve the Performance of Polycrystalline Ge Thin Film Transistors (2020)
  • Author(s): T. Imajo, K. Moto, K. Yamamoto, T. Suemasu, H. Nakashima, K. Toko
  • Organizer: PRiME2020
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 九州大学大学院 総合理工学府 総合理工学専攻 王研究室
  • URL: https://www.gic.kyushu-u.ac.jp/functionaldevices/