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非晶質ゲルマニウム薄膜の結晶化及び単結晶ゲルマニウム中の欠陥回復過程に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 14J11196
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 電子デバイス・電子機器
研究機関東京大学

研究代表者

株柳 翔一  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2015年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2014年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードフリーキャリア効果 / 半導体物理 / ゲルマニウム / MOSトランジスタ / ナノデバイス / 電子物性 / 格子物性 / 縮退半導体
研究実績の概要

前年度はバンドギャップ狭化やフォノンのソフト化における不純物原子効果とフリーキャリア効果の区分けを行うことに注力していたが、今年度はフリーキャリア効果に着目するため、不純物濃度が1x1015 /cm3以下というほとんど真性のGeOI基板を用いた。この基板を用いてGeOI FETを作製し、バックゲート電圧を印加しながら表面側から分光測定を行うという「バイアスつき分光測定」を実施した。これにより、Geの結晶性や不純物濃度を変化させることなくフリーキャリア密度だけを制御できるため、バンドギャップやフォノン周波数のフリーキャリア密度依存性を直接測定することができる。
その結果、Ge薄膜内に正孔を蓄積させると、バンドギャップ狭化とフォノンのソフト化の両方が起きることが分かった。そして、これらの現象は結合描像の考え方により理解できることを示した。すなわち、共有結合に正孔を導入すると、結合が誘電遮蔽されることにより結合ギャップ、したがってバンドギャップが狭化されることになる。また、結合が弱まることによって原子間のばね定数が小さくなり、これによりフォノン周波数は減少する。この結合描像の考え方は直観的でありながら電子系と格子系の両方を記述できるものであり、さらにナノスケール化されている現代のFETにおいては、このような一つ一つの結合に着目したモデルの優位性はより増すと考えている。一方で、Ge薄膜中に電子を蓄積させた際には、バンドギャップ狭化は起きるもののフォノン周波数には有意な変化が見られないことが分かった。この結果に関しては、先行研究において提唱されていた再分配モデルの考え方を援用し、時定数の概念を導入することで理解可能であることを示した。さらに、正孔や電子という両方の効果について、密度汎関数理論に基づいた第一原理計算を行うことによって、上記のモデルの妥当性を検証することができた。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2016 2015 2014

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Experimental evidence of zone-center optical phonon softening by accumulating holes in thin Ge2016

    • 著者名/発表者名
      Shoichi Kabuyanagi, Tomonori Nishimura, Takeaki Yajima and Akira Toriumi
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 6 号: 1

    • DOI

      10.1063/1.4941072

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Gate-Bias Dependent Phonon Softening Observed in Ge MOSFETs2015

    • 著者名/発表者名
      Shoichi Kabuyanagi, Tomonori Nishimura, Takeaki Yajima and Akira Toriumi
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 69

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Non-destructive Characterization of Oxide/germanium Interface by Direct-gap Photoluminescence Analysis2015

    • 著者名/発表者名
      S. Kabuyanagi, T. Nishimura, T. Yajima and A. Toriumi
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 8 号: 5 ページ: 051301-051303

    • DOI

      10.7567/apex.8.051301

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Impacts of oxygen passivation on poly-crystalline germanium thin film transistor2014

    • 著者名/発表者名
      S. Kabuyanagi, T. Nishimura, K. Nagashio and A. Toriumi
    • 雑誌名

      Thin Solid Films

      巻: 557 ページ: 334-337

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2013.11.133

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Geにおける正孔と電子のフォノン周波数に対する影響の違い2016

    • 著者名/発表者名
      株柳 翔一
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      大岡山
    • 年月日
      2016-03-20
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Effects of free-carriers on rigid band and bond descriptions in germanium - Key to designing and modeling in Ge nano-devices -2015

    • 著者名/発表者名
      Shoichi Kabuyanagi
    • 学会等名
      2015 IEEE International Electron Devices Meeting
    • 発表場所
      Washington D.C.
    • 年月日
      2015-12-09
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Gate-Bias Dependent Phonon Softening Observed in Ge Mosfets2015

    • 著者名/発表者名
      Shoichi Kabuyanagi
    • 学会等名
      228th ECS Meeting
    • 発表場所
      Phoenix
    • 年月日
      2015-10-13
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct Evidence of Freecarrier Induced Bandgap Narrowing in Ge2015

    • 著者名/発表者名
      Shoichi Kabuyanagi
    • 学会等名
      2015 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 発表場所
      Sapporo
    • 年月日
      2015-09-29
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フリーキャリア密度に依存したGeの電子物性およびフォノン物性2015

    • 著者名/発表者名
      株柳 翔一
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      2015-09-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Validity of Direct-gap Photoluminescence Analysis for Nondestructive Characterization of Oxide/Germanium Interface2015

    • 著者名/発表者名
      S. Kabuyanagi, T. Nishimura, T. Yajima, K. Nagashio and A. Toriumi
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 発表場所
      筑波、つくば国際会議場
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Non-destructive Characterization of Oxide/Ge Interface by Photoluminescence Measurement2015

    • 著者名/発表者名
      S. Kabuyanagi, T. Nishimura, T. Yajima and A. Toriumi
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      平塚、東海大学
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Phonon-softening in Germanium by Free Carrier Accumulation -Experimental Distinction between Impurity and Free Carrier Effect-2015

    • 著者名/発表者名
      S. Kabuyanagi, T. Nishimura, T. Yajima and A. Toriumi
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      平塚、東海大学
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 電子濃度および界面の境界条件に強く依存したGeの電子構造2015

    • 著者名/発表者名
      株柳 翔一, 西村 知紀, 矢嶋 赳彬, 鳥海 明
    • 学会等名
      ゲートスタック研究会
    • 発表場所
      三島、東レ研修センター
    • 年月日
      2015-01-30 – 2015-01-31
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Study of Raman Peak Shift in Heavily Doped Germanium - A new research opportunity using ultra-thin GeOI2015

    • 著者名/発表者名
      S. Kabuyanagi, T. Nishimura, T. Yajima and A. Toriumi
    • 学会等名
      8th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics and JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar
    • 発表場所
      仙台、東北大学
    • 年月日
      2015-01-29 – 2015-01-30
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2015-01-22   更新日: 2024-03-26  

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