非晶質ゲルマニウム薄膜の結晶化及び単結晶ゲルマニウム中の欠陥回復過程に関する研究

前年度はバンドギャップ狭化やフォノンのソフト化における不純物原子効果とフリーキャリア効果の区分けを行うことに注力していたが、今年度はフリーキャリア効果に着目するため、不純物濃度が1x1015 /cm3以下というほとんど真性のGeOI基板を用いた。この基板を用いてGeOI FETを作製し、バックゲート電圧を印加しながら表面側から分光測定を行うという「バイアスつき分光測定」を実施した。これにより、Geの結晶性や不純物濃度を変化させることなくフリーキャリア密度だけを制御できるため、バンドギャップやフォノン周波数のフリーキャリア密度依存性を直接測定することができる。その結果、Ge薄膜内に正孔を蓄積させると、バンドギャップ狭化とフォノンのソフト化の両方が起きることが分かった。そして、これらの現象は結合描像の考え方により理解できることを示した。すなわち、共有結合に正孔を導入すると、結合が誘電遮蔽されることにより結合ギャップ、したがってバンドギャップが狭化されることになる。また、結合が弱まることによって原子間のばね定数が小さくなり、これによりフォノン周波数は減少する。この結合描像の考え方は直観的でありながら電子系と格子系の両方を記述できるものであり、さらにナノスケール化されている現代のFETにおいては、このような一つ一つの結合に着目したモデルの優位性はより増すと考えている。一方で、Ge薄膜中に電子を蓄積させた際には、バンドギャップ狭化は起きるもののフォノン周波数には有意な変化が見られないことが分かった。この結果に関しては、先行研究において提唱されていた再分配モデルの考え方を援用し、時定数の概念を導入することで理解可能であることを示した。さらに、正孔や電子という両方の効果について、密度汎関数理論に基づいた第一原理計算を行うことによって、上記のモデルの妥当性を検証することができた。

前年度はバンドギャップ狭化やフォノンのソフト化における不純物原子効果とフリーキャリア効果の区分けを行うことに注力していたが、今年度はフリーキャリア効果に着目するため、不純物濃度が1x1015 /cm3以下というほとんど真性のGeOI基板を用いた。この基板を用いてGeOI FETを作製し、バックゲート電圧を印加しながら表面側から分光測定を行うという「バイアスつき分光測定」を実施した。これにより、Geの結晶性や不純物濃度を変化させることなくフリーキャリア密度だけを制御できるため、バンドギャップやフォノン周波数のフリーキャリア密度依存性を直接測定することができる。その結果、Ge薄膜内に正孔を蓄積させると、バンドギャップ狭化とフォノンのソフト化の両方が起きることが分かった。そして、これらの現象は結合描像の考え方により理解できることを示した。すなわち、共有結合に正孔を導入すると、結合が誘電遮蔽されることにより結合ギャップ、したがってバンドギャップが狭化されることになる。また、結合が弱まることによって原子間のばね定数が小さくなり、これによりフォノン周波数は減少する。この結合描像の考え方は直観的でありながら電子系と格子系の両方を記述できるものであり、さらにナノスケール化されている現代のFETにおいては、このような一つ一つの結合に着目したモデルの優位性はより増すと考えている。一方で、Ge薄膜中に電子を蓄積させた際には、バンドギャップ狭化は起きるもののフォノン周波数には有意な変化が見られないことが分かった。この結果に関しては、先行研究において提唱されていた再分配モデルの考え方を援用し、時定数の概念を導入することで理解可能であることを示した。さらに、正孔や電子という両方の効果について、密度汎関数理論に基づいた第一原理計算を行うことによって、上記のモデルの妥当性を検証することができた。