高精度歪み制御による直接遷移型IV族混晶半導体の創出と発光特性評価

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赤外イメージング技術は暗視装置やマシンビジョンに広く用いられているが、中赤外波長帯域では様々なガス・生体分子の赤外線吸収帯が多く存在することからバイオケミカルセンサとして環境・医療分野への応用も期待されている。本研究課題はシリコン（Si）をベースとした高性能中赤外半導体センサ開発を目指し、IV族混晶であるゲルマニウムスズ（GeSn）のSi基板上直接成長技術と歪み制御によるバンドギャップエンジニアリングに取り組み、GeSn-on-Siフォトディテクターアレイの作製と評価を行った。本年度は固相エピタキシャル成長をベースとした混晶化条件の検討と光学特性評価、受光素子の試作により以下の成果を得た。1) Si基板上GeSn薄膜の固相エピタキシーを検討し、非平衡急速加熱処理がSnの原子拡散抑制と膜の平坦性維持に有用であることを示した。また膜応力の熱処理温度依存性を評価し、最大で0.2%の引張歪み印加を確認した。2) 固相結晶化GeSn薄膜の赤外フォトルミネッセンス測定より発光スペクトルのレッドシフト（0.80→0.69 eV）を観測し、高濃度Sn添加と引張歪み印加による疑似直接遷移型バンド構造への変調を示唆する結果が得られた。また、赤外透過率測定よりSn添加による顕著な赤外吸収促進を確認した。3) Si基板上にMetal-Semiconductor-Metal (MSM)型のGeSnフォトディテクターアレイを試作し赤外ランプ照射に対する明瞭な光応答を観測、Si基板上固相成長GeSnが中赤外受光素子に応用可能であることを示した。