歪みゲルマニウム二次元正孔ガスを用いた量子ドット単正孔デバイス開発

• 研究課題/領域番号: 25600079
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 応用物性
• 研究機関: 東京都市大学
• 研究代表者: 澤野 憲太郎 東京都市大学, 工学部, 教授 (90409376)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2015年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2014年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2013年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: ゲルマニウム / 量子ドット / 歪みゲルマニウム / 2次元正孔ガス / 高移動度 / 歪みGe / 単正孔デバイス

研究成果の概要

今日、半導体集積回路は素子の微細化限界を迎え、新規デバイス、特に超低消費電力デバイスの開発が必須となっている。本研究では、新規材料としてゲルマニウム（Ge）に注目し、その可能性を究明することを最大の目標に、スピン制御に向けた超低消費電力を可能とする、歪みGe単正孔デバイス実現へ向けた基盤技術を開発した。特に高品質結晶成長技術、ゲート絶縁膜形成技術を駆使して、Si基板上にGeチャネル2次元正孔ガスを形成し、トップゲーティングにより、2DHGのキャリア分布とそれによる伝導特性、スピン特性の制御、また面内局所的に空乏化させる技術を確立した。

研究成果

• [雑誌論文] Compressively strained Si/Si1-xCx heterostructures formed on Ar ion implanted Si(100) substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Hoshi, You Arisawa, Keisuke Arimoto, Junji Yamanaka, Kiyokazu Nakagawa, Kentarou Sawano, and Noritaka Usami
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 3 ページ: 031302-031302
  • DOI: 10.7567/jjap.55.031302
  • NAID: 210000146127
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suppression of segregation of the phosphorus δ-doping layer in germanium by incorporation of carbon (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, K. Sawano, M. Uematsu, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nagai, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 3 ページ: 031304-031304
  • DOI: 10.7567/jjap.55.031304
  • NAID: 210000146129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and electrical properties of Ge(111) films grown on Si(111) substrates and application to Ge(111)-on-Insulator (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, Y. Hoshi, S. Kubo, K. Arimoto, J. Yamanaka, K. Nakagawa, K. Hamaya, M. Miyao, Y. Shiraki
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 未定 ページ: 24-28
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2015.11.020
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultralarge transient optical gain from tensile-strained, n-doped germanium on silicon by spin-on dopant diffusion (2015)
  • 著者名/発表者名: Xuejun Xu, Xiaoxin Wang, Keisuke Nishida, Koki Takabayashi, Kentarou Sawano, Yasuhiro Shiraki, Haofeng Li, Jifeng Liu, and Takuya Maruizumi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 号: 9 ページ: 092101-092101
  • DOI: 10.7567/apex.8.092101
  • NAID: 210000137638
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suppression of surface segregation of the phosphorous δ-doping layer by insertion of an ultra-thin silicon layer for ultra-shallow Ohmic contacts on n-type germanium (2015)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Yamada, Kentarou Sawano, Masashi Uematsu and Kohei M. Itoh
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 107 号: 13 ページ: 132101-132101
  • DOI: 10.1063/1.4931939
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Uniaxially strained SiGe(111) and SiGe(100) grown on selectively ion-implanted substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, Y. Hoshi, S. Kubo, S. Yamada, K. Nakagawa, Y. Shiraki
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 401 ページ: 758-761
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.02.014
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Formation of Ge(111) on Insulator by Ge epitaxy on Si(111) and layer transfer (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, Y. Hoshi, S. Endo, T. Nagashima, K. Arimoto, J. Yamanaka, K. Nakagawa, S. Yamada, K. Hamaya, M. Miyao and Y. Shiraki
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 557 ページ: 76-79
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2013.10.074
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Highly n-doped, tensile-strained Ge grown on Si by molecular beam epitaxy (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Nishida, Xuejun Xu, Kentarou Sawano, Takuya Maruizumi, Yasuhiro Shiraki
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 557 ページ: 66-69
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2013.10.082
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cubic Rashba Spin-Orbit Interaction of a Two-Dimensional Hole Gas in a Strained-Ge/SiGe Quantum Well (2014)
  • 著者名/発表者名: Rai Moriya, Kentarou Sawano, Yusuke Hoshi, Satoru Masubuchi, Yasuhiro Shiraki, Andreas Wild, Christian Neumann, Gerhard Abstreiter, Dominique Bougeard, Takaaki Koga, and Tomoki Machida
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 号: 8 ページ: 086601-086601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.086601
  • NAID: 120007044497
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the origin of the uniaxial strain induced in Si/Ge heterostructures with selective ion implantation technique (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: - ページ: 251-253
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2012.12.100
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room-temperature sign reversed spin-accumulation signals in Si using an atomically smooth Fe_3Si/Si(111) interface (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujita, S. Yamada. Y. Ando, K. Sawano, H. Itoh, M. Miyao, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 113 号: 1
  • DOI: 10.1063/1.4773072
  • 査読あり
• [雑誌論文] An ultra-thin buffer layer for Ge epitaxial layers on Si (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Kawano, S. Yamada. K. Tanikawa, K. Sawano, M. Miyao, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 102 号: 12
  • DOI: 10.1063/1.4798659
  • 査読あり
• [雑誌論文] Qualitative study of temperature-dependent spin signals in n-Ge-based lateral devices with Fe_3Si/n^+-Ge Schottky-tunnel contacts (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, Y. Baba, G Takemoto, K. Kasahara, S. Yamada, K. Sawano, and M. Miyao
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 113 号: 18
  • DOI: 10.1063/1.4804320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gas-source MBE growth of strain-relaxed Si1-xCx on Si(100) substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Arimoto, Shoichiro Sakai, Hiroshi Furukawa, Junji Yamanaka, Kiyokazu Nakagawa, Noritaka Usami, Yusuke Hoshi, Kentarou Sawano, Yasuhiro Shiraki
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 巻: 378 ページ: 212-217
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2012.12.152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of compressively strained Si/Si1-xCx/Si(100) heterostructures using gas-source molecular beam epitaxy (2013)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Arimoto
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 362 ページ: 276-281
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2011.12.084
  • 査読あり
• [学会発表] Strained Germanium based Nano-Structures toward High Performance Optoelectronic Integrated Circuits (2015)
  • 著者名/発表者名: Kentarou Sawano
  • 学会等名: International Symposium for Advanced Materials Research 2015
  • 発表場所: Nantou, Taiwan
  • 年月日: 2015-08-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cubic Rashba Spin-Orbit Interaction of a Two-Dimensional Hole Gas in a Ge/SiGe Quantum Well (2015)
  • 著者名/発表者名: Rai Moriya, Kentarou Sawano, Yusuke Hoshi, Satoru Masubuchi, Yasuhiro Shiraki, Takaaki Koga, and Tomoki Machida
  • 学会等名: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • 発表場所: Sendai International Center, Miyagi
  • 年月日: 2015-07-26
  • 国際学会
• [学会発表] Robust quantum dot devices for qubits in isotopically purified 28Si (2015)
  • 著者名/発表者名: Christian Neumann, Johannes Kierig, Florian Forster, Andreas Wild, J. W. Ager, E. E. Haller, Gerhard Abstreiter, Kentarou Sawano, Stefan Ludwig, and Dominique Bougeard
  • 学会等名: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • 発表場所: Sendai International Center, Miyagi
  • 年月日: 2015-07-26
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of Strained Ge-on-Insulator for Ge-based Optoelectronic Devices (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, T. Nagashima, H. Hashimoto, X. Xu, K. Hamaya, and T. Maruizumi
  • 学会等名: E-MRS 2015 Spring Meeting
  • 発表場所: Lille, France
  • 年月日: 2015-05-11
  • 国際学会
• [学会発表] Anisotropic Strain Engineering in Si/Ge Heterostructures (2014)
  • 著者名/発表者名: Kentarou Sawano
  • 学会等名: The Collaborative Conference on Crystal Growth (3CG 2014)
  • 発表場所: Phuket, Thailand
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] Electrical properties of strained Ge(111)-on-Insulator (GOI) fabricated by Ge epitaxy on Si and layer transfer (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomonori Nagashima, Hironori Katsumata, Kohei Hamaya, Masanobu Miyao, Yasuhiro Shiraki, Kentarou Sawano
  • 学会等名: 7th International Silicon-Germanium Technology and Device Meeting, 2014 ISTDM
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2014-06-02 – 2014-06-04
• [学会発表] Strain engineered Si/Ge heterostructures (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano
  • 学会等名: The International Conference on Small Science (ICSS 2013)
  • 発表場所: Las Vegas, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Uniaxially strained Si/Ge heterostructures grown on selectively ion-implanted substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, Y. Shoji, N. Funabashi, E. Yonekura, K. Nakagawa, Y. Shiraki
  • 学会等名: 17th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-17)
  • 発表場所: Warsaw, Poland
• [学会発表] Formation of Ge(111) on Insulator by Ge epitaxy on Si(111) and layer transfer (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, Y. Hoshi, S. Endo, H. Katsumata, T. Nagashima, K. Arimoto, J. Yamanaka, K. Nakagawa, K. Hamaya, M. Miyao and Y. Shiraki
  • 学会等名: The 8th Int. Conf. on Si Epitaxy and Heterostructures (ICSI-8)
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
• [学会発表] Formation of Uniaxially Strained Ge by Selective Ion Implantation (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Sawano, Y. Shoji, E. Yonekura, K. Nakagawa, and Y. Shiraki
  • 学会等名: E-MRS 2013 Spring Meeting
  • 発表場所: Strasbourg, France