Development of rapid crystallization technique of amorphous GeSn films at room temperature by electron beam and electrical characterization of the products

ゲルマニウム（Ge）-スズ（Sn）混晶薄膜は，主流のシリコン（Si）そしてGeを凌駕する電気および光学特性をもつ次世代の半導体デバイス材料として有望である．Snを極力高濃度に固溶した結晶薄膜を低温で作製することを実用化の第一ハードルとして，国内外で活発な研究が繰り広げられている．本研究では，弱い電子ビームによる「非加熱方式」により，瞬間的かつ広域な結晶成長を促す方法の確立を目指す．(1) この手法の有効性を実証し，(2) 瞬間結晶化（爆発的結晶化）が生じる構造的要因を明らかにし，そして，(3) 得られた結晶膜の電気特性を評価する．Geの性能を超えるGeSn結晶薄膜の非加熱方式作製技術の確立を最終目標とする．今年度は(1)の研究として，基板フリーのアモルファスGeSn試料に対して1－20keVの電子ビームをアモルファスGeSn試料に照射し，爆発的結晶化が起こる電子ビームの条件とSnの最大濃度を明らかにする研究を実施した．3keVで結晶化に必要な電子フラックスは低く効率よく結晶化が起こることがわかった．そして，20at.%Snのアモルファス薄膜において爆発的結晶化が起こることがわかった．(2)の研究として，透過型電子顕微鏡を用いてアモルファスGeSnの二体分布関数を求めた．20at.%Snを超えると，原子間距離が顕著に長くなりアモルファス構造に明瞭な変化が生じることがわかった．この濃度を超えると，電子ビームによる結晶化においてSnの析出が顕著になり爆発的結晶化が阻害されることがわかった．

ゲルマニウム（Ge）-スズ（Sn）混晶薄膜は，主流のシリコン（Si）そしてGeを凌駕する電気および光学特性をもつ次世代の半導体デバイス材料として有望である．Snを極力高濃度に固溶した結晶薄膜を低温で作製することを実用化の第一ハードルとして，国内外で活発な研究が繰り広げられている．本研究では，弱い電子ビームによる「非加熱方式」により，瞬間的かつ広域な結晶成長を促す方法の確立を目指す．(1) この手法の有効性を実証し，(2) 瞬間結晶化（爆発的結晶化）が生じる構造的要因を明らかにし，そして，(3) 得られた結晶膜の電気特性を評価する．Geの性能を超えるGeSn結晶薄膜の非加熱方式作製技術の確立を最終目標とする．今年度は(1)の研究として，基板フリーのアモルファスGeSn試料に対して1－20keVの電子ビームをアモルファスGeSn試料に照射し，爆発的結晶化が起こる電子ビームの条件とSnの最大濃度を明らかにする研究を実施した．3keVで結晶化に必要な電子フラックスは低く効率よく結晶化が起こることがわかった．そして，20at.%Snのアモルファス薄膜において爆発的結晶化が起こることがわかった．(2)の研究として，透過型電子顕微鏡を用いてアモルファスGeSnの二体分布関数を求めた．20at.%Snを超えると，原子間距離が顕著に長くなりアモルファス構造に明瞭な変化が生じることがわかった．この濃度を超えると，電子ビームによる結晶化においてSnの析出が顕著になり爆発的結晶化が阻害されることがわかった．