| 研究課題/領域番号 |
23K03927
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
王 冬 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (10419616)
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| 研究分担者 |
山本 圭介 熊本大学, 半導体・デジタル研究教育機構, 教授 (20706387)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
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| キーワード | トンネリング障壁高さ / 近赤外発光 / MIS型 / Ge-On-Insulator基板 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近赤外測定技術をIoT社会の中で活用するには、低消費電力、コンパクトな近赤外光源が必要である。本研究では、金属－絶縁体－半導体（MIS）構造を用いて、絶縁膜/Ge界面の特性を制御し、界面からの運動量獲得現象を明確化して、間接遷移発光の効率向上機構を解明する。それを基に、絶縁膜材料の適正化によりキャリアのトンネリング障壁高さを制御し、Ge-MIS構造の間接遷移発光効率を最適化する。更に、Ge-on-Insulator基板上に素子を作製し、空間的なキャリア閉じ込め効果を利用して発光強度の増強を図る。最終的に、現状の10倍以上の発光強度を持つ近赤外発光素子を試作する。
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| 研究実績の概要 |
2024年度の研究成果は以下の通りである。
(1) Ge-MIS構造の絶縁膜としてPost-Plasma-Oxidation(PPO)法により、n型及びp型Ge基板上に高品質なAl2O3絶縁膜を形成し、Fermi-Level-Pinning(FLP)の緩和や受光特性に与える影響を調査した。PPO法を行っていないサンプルは、n型Ge-MIS構造よりp型Ge-MIS構造のほうは整流性が良い結果であることで、FLPが大きく緩和されることが分かった。また、トンネル障壁、ショットキー障壁、表面リークをパラメータとして、PPO法を行っているサンプルの暗電流特性を説明した。さらに、MIS構造の発光素子を形成し、PPO法を行っているn型Ge-MIS構造のAl電極のエッジ部分から漏れる発光を観測した。30 mA以上の注入電流で波長1750 nm付近の発光ピークを確認した。しかし、注入電流30 mAのとき、絶縁膜が破壊されている可能性があるため、発光閾値電流強度の低減が必要である。
(2) Ge-MIS構造におけるHfO2、SiO2、Y2O3、およびAl2O3膜の厚さに対する電子障壁高さの依存性を調査した。実効電子障壁高さは絶縁膜厚の減少とともに減少した。これは界面近くの欠陥（Borderトラップ）の密度が高いと考えられる。Al2O3サンプルはBorderトラップの密度が比較的低いので、比較的高い電子障壁高を維持している。さらに、Al2O3とHfO2サンプルは絶縁膜厚の影響において同様の傾向を示している。これは同じプロセスを使用して製造されているため妥当である。欠陥が実効電子障壁高に及ぼす影響を調べるには、界面トラップおよびBorderトラップの両方の密度を調べる必要がある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の核心内容は、キャリアのトンネリング障壁高さの評価および制御となっている。現時点では、HfO2、SiO2、Y2O3、およびAl2O3膜など様々な絶縁膜を成膜して、トンネリング障壁高さの評価と制御を順調に進めている。これは、研究計画当初の予想を上回っている。その一方、Ge-MIS構造の発光特性の考察については、発光閾値電流強度を低減するため試料形成プロセスの改善が必要である。以上より、全体的に順調に進展していると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
１．Ge-MIS構造形成プロセスの改善：Ge表面へのダメージを最小限に抑えるための金属エッチング条件を調査する。また、実効電子障壁高さがほぼ0 eVのTiO2/Ge構造を形成し、そのMIS構造の発光特性を調査する。さらに、網状の電極を形成してMIS素子の構造を最適化する。
２．Ge-MIS構造のトンネリング障壁高さおよびFLP緩和効果をの制御の知見に基づいて、バンドギャップが狭い半導体のショットキー構造の暗電流を抑えることで、ショットキー構造の近赤外線受発光素子の開発も検討する。
３．GOI基板の作製と評価：Smart-Cut法を用いてGOI基板を作製する。GOI基板の表面ラフネスは化学機械研磨（CMP）で制御する。Ge/Al2O3の界面特性をDLTS、Ge層の結晶性を顕微Photoluminescence (PL) 法で評価する。また、Etch-backやGe-on-Nothingなど技術を踏まえ、他のGOI作製方法も模索する。
４．GOI基板上のMIS型またはショットキー型受発光素子の作製と最適化：薄いGOI基板を使用するため、キャリアは縦方向に閉じ込められ、発光再結合が生じる確率は大幅に増加と考えられる。また、発光強度のGOI表面ラフネスの依存性を考察すると共に、Si側に電圧を印加することで縦方向のキャリア閉じ込め効果を制御することで、高効率に発光することを期待できる。
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