利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.14】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT1037

利用課題名 / Title

ゲルマニウム系薄膜材料の開発

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

分子線堆積,光デバイス/ Optical Device,エレクトロデバイス/ Electronic device,先端半導体（超高集積回路）/ Advanced Semiconductor (Very Large Scale Integration),電子分光/ Electron spectroscopy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

深田直樹

所属名 / Affiliation

国立研究開発法人物質・材料研究機構ナノアーキテクトニクス材料研究センター

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

松村亮,Zhang Qinqiang

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-854：オージェ分光分析装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

近年、Ge系半導体材料は、従来のSi系材料に比べて優れた特性を持つことから注目を集めている。特に、Geの引張歪み導入やn型ドーピングは、IV族材料を用いた光電子デバイスの実現に向けた重要なアプローチである[1]。我々の研究グループでは、高速CWレーザーアニール（CWLA）技術を用いた非平衡成長法を開発し、GeSn、SiGe、n型Ge薄膜の成長に成功している[2, 3, 4]。本研究では、Sbドープされたn型Si_0.1Ge_0.9薄膜を高速CWLAプロセスにより結晶化し、その特性を評価した。

実験 / Experimental

実験では分子線堆積（MBD）を用いて、100 nm厚のSbドープされた非晶質Si_0.1Ge_0,9薄膜を石英基板上に堆積した。基板と薄膜の間にはSiNxの界面層を設け、薄膜表面にはスパッタリングによりSiO₂キャップ層を形成した。成膜時のSiとGeの供給比は1:9に制御し、組成比の確認・およびプロセスフィードバックのため、ARIM共用装置であるオージェ分光分析装置を用いた。
成長後、試料に対して異なるスキャン速度およびレーザーエネルギーでCWLA処理を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

オージェ電子分光（AES）による深さ方向プロファイリングの結果、作製した薄膜がSi組成10%のn型Ge薄膜であることが確認された。また、電子線後方散乱回折（EBSD）による結晶マッピングの結果、多結晶n-Si_0.1Ge_0.9薄膜の形成が確認された。特に、レーザーエネルギーが2400 mW以上の場合、結晶性の向上が見られ、1 µm以上の大粒径を持つ結晶が形成された。
さらに、これに伴い、フォトルミネッセンス（PL）強度の顕著な増加が確認された(図１)。この結果から、結晶化が進むことでn型ドーパントの活性化が促進され、再結合を担うキャリア濃度が増加したと考えられる。また、本研究で得られたPL強度は、同様の結晶品質を持つ従来のCWLAによるn型Ge薄膜よりも高かった。このことは、n型Ge薄膜にSiを添加することによる利点を示唆している。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 実現したSi添加n型Geの発光強度増大を示すフォトルミネッセンス(PL)スペクトル

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] J. Liu et al., Semicond. Sci. Technol. 27, 094006 (2012).
[2] R. Matsumura et al., ECS J. Solid State Sci. Technol. 9, 063002 (2020).
[3] R. Matsumura et al., Mater. Sci. Semicond. Process. 134, 106024 (2021).
[4] R. H. Saputro et al., Mater. Sci. Semicond. Process, 162, 107516 (2023).

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Qinqiang Zhang, Fabrication and Characterization of Germanium Monosulfide Field-Effect Transistors, JSAP-Optica Joint Symposia 2024 Abstracts, , 18a_A35_4(2024).
DOI: 10.1364/JSAPO.2024.18a_A35_4
Rahmat Hadi Saputro, High Doping Activation (≥10²⁰ cm^–3) in Tensile-Strained n-Ge Alloys Achieved by High-Speed Continuous-Wave Laser Annealing, ACS Applied Electronic Materials, 6, 4297-4303(2024).
DOI: 10.1021/acsaelm.4c00399
Qinqiang Zhang, Synthesis of submillimeter-scale laterally-grown germanium monosulfide thin films and their electro-optic applications, Journal of Materials Chemistry C, 12, 18101-18110(2024).
DOI: 10.1039/D4TC03074E

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件