Si-Ge系スーパーアトムの内部ポテンシャル変調による量子機能材料創成

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00762
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 牧原 克典 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90553561)
• 研究分担者: 大田 晃生 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10553620) ; 洗平 昌晃 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: Si量子ドット / コア／シェル構造 / CVD

研究実績の概要

LPCVDにおいて、SiH4およびGeH4の反応初期過程を交互に精密制御することによって、熱酸化膜上にGe核を有するSi量子ドットを自己組織化形成でき、このコア／シェル構造のフォトルミネッセンス (PL) は、Geコアからの発光が支配的であることを明らかにしてきた。最終年度では、Reduced-pressure CVDを用いて200mm-Siウェハ上に高密度・一括形成したGeコアSi量子ドットの構造および室温PL特性を評価するとともに、EL特性も評価した。
各CVD工程後のAFM表面形状像測定において、ドット面密度に顕著な変化は認められず、サイズ分布から算出した平均高さが随時増大していることを確認している。断面TEM-EDXマッピングでは、GeH4-CVD後では予め形成したSi量子ドット上に均一にGeが堆積しており、その後の650℃熱処理においては顕著な変化は認められないものの、SiH4-CVD後では明瞭なコア／シェル構造が認められた。尚、Geコア高さはAFM像から得られた平均ドット高さの差(~1.6nm)と矛盾しない。コア／シェルドット形成後、非結晶Si膜堆積、P原子注入、Alリングパターン電極を形成したLEDからは、ELスペクトルでは、電圧振幅-1.0Vで0.65～0.85eVにブロードなELスペクトルが認められ、電圧の増大に伴いEL強度は増大し、高エネルギ側の増大がより顕著であった。また、得られたELスペクトルはPLと同様に4成分でピーク分離でき、印加電圧の増加による各成分のピークエネルギー位置の変化は認められなかった。これらの結果は、順方向バイアス印加により、a-Si層から電子注入とp-Si基板から正孔注入が進行し、電子－正孔の量子準位間での発光再結合が生じたと説明でき、印加電圧の増加に伴ってGeコアにおける高次の量子準位を介した再結合発光が支配的になると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和4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

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] IHP/Technische Universitat Berlin(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: IHP/Technische Universitat Berlin
• [雑誌論文] Evaluation of Chemical Structure and Si Segregation of Al/Si(111) (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, A. Ohta, K. Matsushita, N. Taoka, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 62 ページ: SC1059
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb1fd
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of Ultra-thin NiGe Film with Single Crystalline Phase and Smooth Surface (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Nishimura, N. Taoka, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 62 ページ: SC1027
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acac6f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Cl Passivation on Al2O3/GaN Interface Properties (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Nagai, N. Taoka, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 62 ページ: SA1002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac73d9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of substrate heating during Al deposition and post annealing on surface morphology, Al crystallinity, and Ge segregation in Al/Ge(111) structure (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Matsushita, A. Ohta, N. Taoka, S. Hayashi, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 61 ページ: SH1012
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac5fbc
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of electronic charged states of high density self-aligned Si-based quantum dots evaluated with AFM/Kelvin probe technique (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, K. Makihara, N. Taoka, A. Ohta, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 61 ページ: SD1012
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac61aa
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on Silicidation Reaction of Fe-NDs with SiH4 (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Furuhata, K. Makihara, Y. Shimura, S. Fujimori, Y. Imai, A. Ohta, N. Taoka, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 ページ: 55503
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac6727
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on Electron Emission from Phosphorus d-Doped Si-QDs/Undoped Si-QDs Multiple-Stacked Structures (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Makihara, T. Takemoto, S. Obayashi, A. Ohta, N. Taoka, and S. Miyazaki
  • 雑誌名: IEICE Trans, on Electronics 巻: E102-5 ページ: 610-615
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic-Field Dependent Electron Transport of Fe3Si Nanodots (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, K. Makihara, H. Zhang, H. Furuhata, N. Taoka, A. Ohta and S. Miyazaki
  • 雑誌名: IEICE Trans, on Electronics 巻: E102-6 ページ: 616-621
  • 査読あり
• [学会発表] Fe ナノドットへの SiH4照射によるβ-FeSi2ナノドットの高密度形成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 陽斗、牧原 克典、王 子ロ（おうへんに路）、田岡 紀之、大田 晃生、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Fe超薄膜へのSiH4照射によるシリサイド化反応制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 陽斗、牧原 克典、王 子ロ（おうへんに路）、田岡 紀之、大田 晃生、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Al/Si0.2Ge0.8(111)構造の熱処理によるSiおよびGeの表面偏析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 酒井 大希、松下 圭吾、大田 晃生、田岡 紀之、牧原 克典、山本 裕司、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] SiO2上への極薄ニッケルシリサイド膜形成―Si/Ni/Si初期構造における膜厚依存性― (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 圭佑、田岡 紀之、西村 駿介、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Reduced-Pressure CVDにより形成したGeコアSi量子ドットの構造評価と室温発光特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 牧原 克典、Yamamoto Yuji、Schubert Markus Andreas、田岡 紀之、Tillack Bernd、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] AFM/KFMによる熱酸化SOI基板上に自己組織化形成したSi量子ドットの局所帯電特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今井 友貴、牧原 克典、山本 裕司、Wen Wei-Chen、田岡 紀之、大田 晃生、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Formation of SiO2 Layer on SiGe/Si Nano-structures using Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition (2023)
  • 著者名/発表者名: JIALUN CAI、NORIYUKI TAOKA、KATSUNORI MAKIHARA、AKIO OHTA、SEIICHI MIYAZAKI
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Al/Si(111)構造の平坦性および結晶性制御と偏析による極薄Si層形成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 酒井 大希、大田 晃生、松下 圭吾、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理― （第28回）
• [学会発表] SiO2上に形成したニッケルシリサイド薄膜の膜厚が表面形態・結晶相へ与える影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 圭佑、田岡 紀之、西村 駿介、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理― （第28回）
• [学会発表] SiO2上へのNiGe薄膜の形成とその電気特性及び電子状態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 西村 駿介、田岡 紀之、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理― （第28回）
• [学会発表] 共晶系の偏析により形成した極薄Ge結晶のデバイスプロセスの検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松下 圭吾、大田 晃生、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理― （第28回）
• [学会発表] AFM/ケルビンプローブモードによる超高密度一次元連結Si系量子ドットの帯電状態評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今井 友貴、牧原 克典、田岡 紀之、大田 晃生、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理― （第28回）
• [学会発表] GeコアSi量子ドットの構造評価と室温発光特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 牧原 克典, Yuji Yamamoto, 今井 友貴, 田岡 紀之, Markus Andreas Schubert, Bernd Tillack, 宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理― （第28回）
• [学会発表] Al/Ge(111)上に偏析したGe薄膜の化学結合状態分析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松下 圭吾、大田 晃生、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 2022年度 名古屋大学シンクロトロン光研究センターシンポジウム
• [学会発表] Si酸化膜上に形成したニッケルシリサイド層の 膜厚が結晶相に与える影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村 圭佑、田岡 紀之、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 2022年度 名古屋大学シンクロトロン光研究センターシンポジウム
• [学会発表] Fabrication and Characterization of Ge/Si Core-Shell Quantum Dots for Light Emission Devices (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Makihara, Y. Yamamoto, B. Tillack, and S. Miyazaki
  • 学会等名: Symposium Light emission and photonics of group IV semiconductor nanostructures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Characterization of Light Emission Properties of Impurity Doped Ge/Si Core-Shell Quantum Dots (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Miyazaki, Y. Imai, and K. Makihara
  • 学会等名: 242nd ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Light-emission Properties of High-density Superatom-like Ge-core/Si-shell Quantum Dots (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Makihara, Y. Yamamoto, Y. Imai, N. Taoka, M. A. Schubert, B. Tillack, and S. Miyazaki
  • 学会等名: The 6th International Conference on Electronics, Communications and Control Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of Fe3Si Nanodots and Characterization of Their Magnetoelectronic Transport Properties (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, H. Zhang, K. Makihara, N. Taoka, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Change of Surface Morphology, Chemical Bonding Features and Crystalline Phases of Ultra-thin NixSi1-x Layers Due to Thinning (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura, N. Taoka, S. Nishimura, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of Fe-silicide-NDs and Characterization of Their PL Properties (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Saito, K. Makihara, Y. Hara, S. Fujimori, Y. Imai, N. Taoka, A. Ohta, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrathin Si Segregated Layer Formation on Al/Si(111) (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, A. Ohta, K. Matsushita, N. Taoka, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Charged States of High Density Self-aligned Si-based Quantum Dots as Evaluated by Using an AFM/Kelvin Probe Technique (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, K. Makihara, N. Taoka, A. Ohta, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 13th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] High-Density Formation of Fe-Silicide Nanodots and Their Magnetic-Field Dependent Electron Transport Properties (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, K. Makihara, N. Taoka, and S. Miyazaki
  • 学会等名: The 3rd International Workshop on Advanced Nanomaterials for Future Electron Devices 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Alignment Control of Si-based Quantum Dots (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, K. Makihara, N. Taoka, and S. Miyazaki
  • 学会等名: The 3rd International Workshop on Advanced Nanomaterials for Future Electron Devices 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Layer Transfer of Ultrathin Ge Layer Segregated on Al/Ge(111) (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Matsushita, A. Ohta, N. Taoka, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Surface Modification and Wafer Bonding of Ultrathin Ge Segregated Layer formed on Al/Ge(111) (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Matsushita, A. Ohta, N. Taoka, K. Makihara,and S. Miyazaki
  • 学会等名: 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Dot Size Dependence of Electron Emission from Si-QDs Multiple-Stacked Structures (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Obayashi, K. Makihara, N. Taoka, A. Ohta,and S. Miyazaki
  • 学会等名: 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and Light-emission Properties of High-density Superatom-like Ge-core/Si-shell Quantum Dots (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Makihara, Y. Yamamoto, Y. Imai, N. Taoka, M. A. Schubert, B. Tillack,and S. Miyazaki
  • 学会等名: 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of Ultra-thin Nickel Silicide Layer on SiO2 and Control of Crystalline Phase and Surface Roughness (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura, S. Nishimura, N. Taoka, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Alignment Control of Self-Assembling Si Quantum Dots (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, R. Tsuji, K. Makihara, N. Taoka, A. Ohta, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] High-Density Formation and Characterization of Fe-Silicide Nanodots on SiO2 (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, H. Zhang, K. Makihara, N. Taoka, A. Ohta, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 29th International Conference on Amorphous & Nanocrystaline Ssemiconductors
  • 国際学会
• [学会発表] Study on Photoluminescence Properties of Fe-silicide-NDs (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Saito, K. Makihara, Y. Hara, S. Fujimori, Y. Imai, N. Taoka, A. Ohta, and S. Miyazaki
  • 学会等名: The 6th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Crystalline Phase Control of Hf-oxide Layer due to Si Surface Orientations (2022)
  • 著者名/発表者名: W. Yasuda, N. Taoka, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 43rd Int. Symp. on Dry Process
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of Chemical Structure and Si Segregation of Al/Si(111) (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, A. Ohta, K. Matsushita, N. Taoka, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 2022 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of Ultra-thin NiGe film with Mono-crystalline Phase and Smooth Surface (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Nishimura, N. Taoka, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 2022 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of Magnesium Channeled Implantation Layers in GaN(0001) (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Suyama, H. Kawanowa, H. Minagawa, J. Maekawa, S. Nagamachi, M. Aoki, A. Ohta, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 2022 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of Chemical and Electronic States of Mg-doped GaN(0001) Surfaces (2022)
  • 著者名/発表者名: X. Tian, W. Liu, A. Ohta, N. Taoka, K. Makihara, and S. Miyazaki
  • 学会等名: 2022 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices
  • 国際学会
• [学会発表] 単一結晶相を有する Ni-Germanide 極薄膜の電気特性および電子状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村 駿介、田岡 紀之、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] SiGeナノドット/Si多重集積構造からの電界電子放出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 邱 実、牧原 克典、田岡 紀之、大田 晃生、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] FePt ナノ構造の帯磁特性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 武 嘉麟，牧原 克典，田岡 紀之，大田 晃生，宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ニッケルシリサイド超薄膜形成におけるSiキャップ層の効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村 圭佑、田岡 紀之、西村 駿介、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高温短時間熱処理による極薄SiO2上に形成したa-Si膜の結晶化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今井 友貴、牧原 克典、田岡 紀之、大田 晃生、宮崎 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] l/Ge(111)構造上に偏析した極薄Ge 結晶層の転写 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松下 圭吾、大田 晃生、柴山 茂久、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Fe シリサイドドットの室温 PL 特性―ドットサイズ依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 陽斗、牧原 克典、田岡 紀之、大田 晃生、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 金属Hfの酸化によって形成した酸化物の結晶構造および化学組成にSi基板面方位が与える影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安田 航、田岡 紀之、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電気通信情報学会(SDM) シリコンテクノロジー分科会 6月度合同研究会
• [学会発表] Si(111)上のAl(111)薄膜形成と熱処理によるSi原子の表面偏析制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井 大希、松下 圭吾、大田 晃生、田岡 紀之、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電気通信情報学会(SDM) シリコンテクノロジー分科会 6月度合同研究会
• [学会発表] SiO2上へのニッケルシリサイド薄膜形成とその表面形態・結晶相制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村 圭佑、田岡 紀之、西村 駿介、大田 晃生、牧原 克典、宮﨑 誠一
  • 学会等名: 電気通信情報学会(SDM) シリコンテクノロジー分科会 6月度合同研究会
• [備考] 名古屋大学 大学院 工学研究科 電子工学専攻・宮﨑研究室
  • URL: http://www.nuee.nagoya-u.ac.jp/labs/miyazakilab/