中空ゲルマニウム構造に基づく高性能電子・光デバイス集積化技術の開発

• 研究課題/領域番号: 24K07576
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21050:電気電子材料工学関連
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 山本 圭介 熊本大学, 半導体・デジタル研究教育機構, 教授 (20706387)
• 研究分担者: 王 冬 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (10419616)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2027-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2026年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2025年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 半導体 / ゲルマニウム / 異種機能集積 / Ge-on-Insulator / 基板貼り合わせ

研究開始時の研究の概要

本研究では、AI技術の進展とカーボンニュートラルとを両立するために、半導体の高性能化と低消費電力化に向けた電子・光デバイスの「異種機能集積化」を目指す。その材料候補として、優れた物性を有するゲルマニウム（Ge）を用いる。Geの特徴を最大限に発揮させるために、単結晶薄膜Geが支持基板上に配置されたGe-on-Insulator（GOI）を独自の中空Ge構造に基づく手法で作製・高品質化する。代表者らのGeプロセス技術・評価技術をGOI作製に拡張するとともに、新たに高品質下地絶縁膜技術を開発してGOIの性能を改善する。最終的に、GOI上に電子・光デバイスを作製して異種機能集積デバイス実現の道を拓く。

研究実績の概要

本研究では、AI技術の進展とカーボンニュートラル実現の要求をともに満たすために、半導体集積回路の高性能化および低消費電力化に向けた電子・光デバイスの異種機能集積化を目指す。それに適した材料として、「高いキャリア移動度」や「近赤外域に対応するバンドギャップ」などの特徴を有するゲルマニウム(Ge)を用いる。Geの弱点を補い、その優れた特性を最大限に引き出すために、単結晶薄膜Geを支持基板上に配置したGe-on-Insulator(GOI)を作製し、このGOI基板上に電子・光デバイスを構築することで、異種機能集積デバイスの実現を図る。
具体的には、代表者らが独自に提案する中空Ge構造(GeON)の貼り合わせ技術を、Geの物性を最大限に引き出すべくさまざまな面方位に展開し、それぞれの面方位に適したGeON作製プロセスを検討した。また、GOI上へのデバイス作製に必要となる低温プロセスの構築にも取り組んだ。

GeON作製に関しては、電子移動度や強磁性材料のエピタキシャル成長に適したGe(111)面において、深穴形成後の熱処理によるGeの流動化を確認した。また、従来の(100)面と比較して、同一条件下でより表面平坦性に優れたGeの流動化が得られた。これは、面方位ごとの原子配列の違いが影響していると考えられ、現在も引き続き詳細な調査を進めている（応用物理学会九州支部で発表済）。
さらに、GOI上への各種デバイス作製において必須となる、低温デバイス化プロセスを開発した。特に、トランジスタのゲート絶縁膜や表面保護膜として必要となる絶縁膜の低温形成に注力し、新たに非加熱原子層堆積法(ALD)を開発した。その結果、最大プロセス温度130℃においても高品質な絶縁膜の形成とGeトランジスタの動作に成功した(Mat. Sci. Semicond. Processing 190 (2025) 109372.)。

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

目標としている各種面方位におけるGeON形成に関しては、深穴形成および熱処理による流動化、さらに高い表面平坦性の確保に成功しており、GeONおよびGOI作製に向けた一定の成果と知見が蓄積されつつある。
また、低温でのデバイス作製については、130℃におけるプロセスを確立し、Geトランジスタの作製にも成功しており、その成果はすでに論文化されている。これらの点から、本研究は概ね順調に進展していると判断される。

今後の研究の推進方策

現時点では、深穴形成と熱処理によるGeの流動化は確認できているものの、GeONの完全な形成には至っていない。これは、深穴の深さが不十分であることが主な原因であり、今後はより深いエッチングを実現するための深堀ドライエッチングプロセスを構築し、GeONの形成へと展開する予定である。さらに、形成したGeONと支持基板との貼り合わせによってGOI構造を試作し、その上に電子・光デバイスを作製する。これにより、バルクGe上に作製したデバイスと比較してGOIの優位性を実証する。加えて、GOIの作製プロセスおよびデバイスの製造プロセスを改善することで、高性能な異種機能混載デバイスの実現を推進する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Al2O3 growth on Ge by low-temperature (~90°C) atomic layer deposition and its application for MOS devices (2025)
  • 著者名/発表者名: T. Aso, H. Kuwazuru, D. Wang, and K. Yamamoto
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 巻: 190 ページ: 109372-109372
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2025.109372
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epitaxial Si/SiGe Multi-Stacks: From Stacked Nano-Sheet to Fork-Sheet and CFET Devices (2025)
  • 著者名/発表者名: Roger Loo, Anjani Akula, Yosuke Shimura, Clement Porret, Erik Rosseel, Thomas Dursap, Andriy Hikavyy, Matteo Beggiato, Janusz Bogdanowicz, Alex Merkulov, Mustafa Ayyad, Han Han, Olivier Richard, Andrea Impagnatiello, Dong Wang, Keisuke Yamamoto, Tamas Sipocz, Arpad Kerekes, Hans Mertens, Naoto Horiguchi, Robert Langer
  • 雑誌名: ECS Journal of Solid State Science and Technology 巻: 14 号: 1 ページ: 015003-015003
  • DOI: 10.1149/2162-8777/ada79f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-temperature annealing effect on electrical/structural characteristics for SiO2/GeO2/Ge gate stack (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Kuwazuru, T. Aso, D. Wang, and K. Yamamoto
  • 雑誌名: Extended Abstract of the 2024 International Conference on Solid State Device and Materials 巻: - ページ: 35-36
  • DOI: 10.7567/ssdm.2024.a-4-04
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Channel Shape on the Electrical Performance of n-channel TFT on Solid-Phase Crystallized Polycrystalline Ge (2024)
  • 著者名/発表者名: Linyu Huang, Atsuki Morimoto, Kota Igura, Takamitsu Ishiyama, Kaoru Toko, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 雑誌名: Extended Abstract of 2024 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2024) 巻: - ページ: 493-494
  • DOI: 10.7567/ssdm.2024.k-7-05
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of CMOS Inverter on Polycrystalline Ge Formed by Solid-phase Crystallization (2024)
  • 著者名/発表者名: Atsuki Morimoto, Linyu Huang, Kota Igura, Takamitsu Ishiyama, Kaoru Toko, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 雑誌名: Extended Abstract of 2024 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2024) 巻: - ページ: 479-480
  • DOI: 10.7567/ssdm.2024.k-6-03
  • 査読あり
• [雑誌論文] Germanium Gate Stack Fabrication at Low Temperature using Nonheated Atomic Layer Deposition (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Aso, H. Kuwazuru, D. Wang, K. Yamamoto
  • 雑誌名: Extended Abstract of the 2024 International Conference on Solid State Device and Materials 巻: - ページ: 585-586
  • DOI: 10.7567/ssdm.2024.ps-01-02
  • 査読あり
• [学会発表] Ge上ゲートスタックの低温熱処理効果 (2025)
  • 著者名/発表者名: 鍬釣 一、麻生 大聖、王 冬、山本 圭介
  • 学会等名: 2025年第72回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 非加熱ALD法を用いたGe上へのゲートスタック低温形成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 麻生 大聖、鍬釣 一、王 冬、山本 圭介
  • 学会等名: 2024年第85回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Ge上ゲートスタックの低温（210 °C）形成と界面ダイポール解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 鍬釣 一、麻生 大聖、王 冬、山本 圭介
  • 学会等名: 2024年第85回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Low-temperature annealing effect on electrical/structural characteristics for SiO2/GeO2/Ge gate stack (2024)
  • 著者名/発表者名: Hajime Kuwazuru, Taisei Aso, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 学会等名: 2024 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Channel Shape on the Electrical Performance of n-channel TFT on Solid-Phase Crystallized Polycrystalline Ge (2024)
  • 著者名/発表者名: Linyu Huang, Atsuki Morimoto, Kota Igura, Takamitsu Ishiyama, Kaoru Toko, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 学会等名: 2024 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of CMOS Inverter on Polycrystalline Ge Formed by Solid-phase Crystallization (2024)
  • 著者名/発表者名: Atsuki Morimoto, Linyu Huang, Kota Igura, Takamitsu Ishiyama, Kaoru Toko, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 学会等名: 2024 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Germanium Gate Stack Fabrication at Low Temperature using Nonheated Atomic Layer Deposition (2024)
  • 著者名/発表者名: Taisei Aso, Hajime Kuwazuru, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 学会等名: 2024 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative Study of GOI Fabrication Methods for High Electrical Properties (2024)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Yamamoto, Noboru Shimizu, Dong Wang, Hiroshi Nakashima, Roger Loo, Clement Porret, Jinyoun Cho, Kristof Dessein, Valerie Depauw
  • 学会等名: 15th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication of CMOS Inverter on Polycrystalline Ge Formed by Solid phase Crystallization on Glass Substrate (2024)
  • 著者名/発表者名: Atsuki Morimoto 1, Linyu Huang 1, Kota Igura 2, Takamitsu Ishiyama 2, Kaoru Toko 2, Dong Wang 1, and Keisuke Yamamoto 1
  • 学会等名: 15th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Nonheated Atomic Layer Deposition for Germanium Gate Stack (2024)
  • 著者名/発表者名: Taisei Aso, Hajime Kuwazuru Dong Wang, and Keisuke Yamamoto
  • 学会等名: 15th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Low temperature fabrication of SiO2/GeO2/Ge gate stack and its electrical/structural analysis (2024)
  • 著者名/発表者名: Hajime Kuwazuru, Taisei Aso, Dong Wang, Keisuke Yamamoto
  • 学会等名: 15th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Ge-on-Nothing構造を用いた(111)面 Ge-on-Insulatorの作製 (2024)
  • 著者名/発表者名: 髙田 康之介、鍬釣 一、麻生 大聖、王 冬、山本 圭介
  • 学会等名: 2024年(令和6年度) 応用物理学会九州支部学術講演会