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Energy band design based on controlling ordered/disordered structure of non-thermal equilibrium group-IV alloy thin films

基于控制非热平衡IV族合金薄膜有序/无序结构的能带设计

基本信息

批准号：
21H01809
负责人：
中塚理
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、一般的な熱平衡状態では存在し得ない非平衡的な規則系あるいは不規則系の新奇超高Sn組成IV族混晶薄膜を創製し、その電子物性の解明・制御に基づいて、新世代固体素子発展に資する工学基盤の構築を目指す。Sn組成50%に達する超高Sn組成GeSnあるいはSiSn薄膜の創製、およびその結晶・電子物性を解明し、次世代ナノエレクトロニクスの発展に資する、新奇IV族混晶半導体薄膜の物質科学の深耕を図る。本年度の主要な成果を記す。(1)大格子定数InP(001)基板上においてけるSn組成25%のGeSn混晶のエピタキシャル成長について、基板清浄化条件や成長温度が形成層の結晶性に及ぼす影響を調査した。顕微ラマン分光、TEM/EDXによる詳細分析から、InP層清浄化時に形成される表面析出Inドットが、低Sn組成GeSn領域の形成原因であることを見出し、Inドット形成を抑止した清浄表面形成が高Sn組成GeSnエピタキシャル層実現に有効であることを示した。その結果、双晶形成や積層欠陥のない高品質で均一な高Sn組成GeSn層を形成できることを実証できた。(2)絶縁膜上への30%以上の高Sn組成GeSn層とSiO2層との積層によって、Sn組成25%を超える多積層GeSnナノドット層の形成を顕微ラマン分光法などから実証した。また、GeSnナノドット試料のフォトルミネッセンス（PL）特性から、波長2μm、半値幅0.7μmのPL発光を検出し、ナノドット化によるPL波長制御を実証した。(3)GeSn/GeSiSnヘテロ構造による多重量子井戸構造の形成とその結晶・光電物性を評価した。Sn組成9%のGeSn層を有する二重量子井戸構造のPL測定の詳細評価から、伝導帯Γ点およびL点それぞれに起因する発光を観測できた。また、350℃以下の適切な熱処理によって量子構造試料のPL特性が改善することを実証した。

In this paper, we study the general thermal equilibrium state, the existence of non-equilibrium regular system, the creation of novel super-high Sn group IV mixed crystal thin films, the solution of electronic properties, the construction of engineering base plate for the development of new generation solid elements. Sn composition up to 50%, ultra-high Sn composition GeSn, SiSn thin film creation, crystallization, electronic properties of the solution, next generation development, new IV mixed crystal semiconductor thin film material science deep research. The main achievements of the year are recorded. (1)The effects of substrate cleaning conditions and growth temperature on the crystallinity of GeSn mixed crystal with Sn composition of 25% on InP(001) substrate with large lattice number were investigated. The formation of InP layer during cleaning and the reasons for formation of GeSn region with low Sn composition were analyzed by TEM/EDX. The formation of InP layer during cleaning and the reasons for formation of GeSn region with high Sn composition were shown. As a result, the formation of the GeSn layer is characterized by high quality, uniform and high Sn composition. (2)The formation of a GeSn layer and a SiO2 layer with a high Sn composition of more than 30% on the insulating film and a multilayer GeSn layer with a Sn composition of 25% or more is verified by micro-resolution spectroscopy. In addition, the PL characteristics of the GeSn sample are different, the PL emission at wavelength 2μm and half-width 0.7μm is detected, and the PL wavelength control at wavelength conversion is realized. (3)GeSn/GeSiSn multi-quantum well structure formation, crystallization and photoelectric properties are evaluated. A detailed evaluation of PL measurements of double quantum well structures with 9% Sn composition, as well as the measurement of the emission of light from the conduction band and the L point. It is demonstrated that PL characteristics of quantum structure samples are improved by appropriate heat treatment below 350℃.