On-wafer band engineering for Ge epitaxial layers selectively grown on Si

在 Si 上选择性生长 Ge 外延层的晶圆上能带工程

基本信息

批准号：
21H01367
负责人：
石川靖彦
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
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

単一組成のGe（Ge: 100%）に対して格子ひずみ制御により直接遷移ギャップのウエハ面内制御を実現することを目的に研究を進めている。研究期間内で目標とするバンドギャップの制御範囲は、0.77 eV（初期状態:波長1.61ミクロンに相当）から0.82 eV（1.51ミクロンに相当）とし、光通信のC帯（1.530- 1.565ミクロン）とL帯（1.565-1.625ミクロン）のほとんどをカバーする。Ge選択成長層に対して、「（a）線幅縮小」と「（b）外部応力膜の併用」による直接遷移ギャップ拡大を検討している。2022年度は以下の成果が得られた。（a）細線幅縮小による直接遷移バンドギャップ拡大化学気相堆積(CVD)装置を用い、Si上Ge細線構造を選択成長により形成した。線幅は0.9ミクロンから10ミクロンまで変化させた。顕微ラマン測定により細線幅縮小に伴う引張格子ひずみの緩和を観測した。顕微フォトルミネセンス（PL）において、引張ひずみ緩和に伴うバンドギャップ拡大 = 発光ピークの短波長化（1.56ミクロンから1.53ミクロン）を観測し、C帯で光吸収端を制御できることを実証した。今後、Ge細線受光器の受光スペクトルを実測し、動作波長域を明確化する。（b）外部応力膜の併用による直接遷移バンドギャップの更なる拡大および縮小上記のGe細線上にプラズマCVD法によりSiNx層を堆積した。堆積圧力の制御により引張ならびに圧縮応力を内蔵したSiNx膜を形成した。引張応力内蔵SiNxの堆積によりGe細線に圧縮ひずみが導入され、PL発光ピークの位置は約1.51ミクロンまで短波長化した。すなわち当初の予定を達成した。圧縮応力内蔵SiNxではGe細線に引張ひずみが導入され、PL発光ピークは約1.58ミクロンまで長波長化した。今後はSiNxや周辺のSiO2層の膜厚の影響を調査する予定である。

我们正在进行研究，旨在利用单一成分Ge（Ge：100％）的晶格应变控制来实现过渡间隙的直接晶圆内控制。研究期内目标带隙控制范围为0.77 eV（初始状态：相当于1.61微米波长）至0.82 eV（相当于1.51微米），光通信带隙控制范围为C波段（1.530-1.565微米）和 L 覆盖大部分频段（1.565-1.625 微米）。对于Ge选择性生长层，我们正在考虑通过(a)减小线宽和(b)结合使用外部应力膜来扩大直接过渡间隙。 2022 年获得了以下结果。 (a) 使用直接过渡带隙扩展化学气相沉积 (CVD) 系统通过缩小线宽，通过选择性生长在 Si 上形成 Ge 细线结构。线宽从0.9微米到10微米不等。我们使用显微拉曼测量观察到随着线宽变窄，拉伸晶格应变松弛。在显微光致发光（PL）中，我们观察到由于拉伸应变弛豫导致的带隙扩大=发射峰波长的缩短（从1.56微米到1.53微米），并证明可以控制C中的光学吸收边乐队。未来我们将实际测量Ge细线接收器的接收光谱并明确其工作波长范围。 (b)使用外部应力膜的直接过渡带隙的进一步扩大和收缩通过等离子体CVD在上述Ge细线上沉积SiNx层。通过控制沉积压力，我们形成了具有内置拉应力和压应力的 SiNx 薄膜。通过沉积具有内置拉应力的 SiNx 将压缩应变引入到 Ge 丝中，PL 发射峰的波长缩短至约 1.51 微米。也就是说，原本的计划已经达到了。在具有内置压应力的SiNx中，将拉伸应变引入到Ge细线中，并且PL发射峰值波长延伸至约1.58微米。未来，我们计划研究SiNx和周围SiO2层膜厚的影响。

项目成果

期刊论文数量（24）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Si-capping-induced surface roughening on the strip structures of Ge selectively grown on an Si substrate

Si 覆盖导致 Si 衬底上选择性生长的 Ge 带状结构表面粗糙化

DOI：
10.1116/6.0001142
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
1.4
作者：
Katamawari Riku;Kawashita Kazuki;Hizawa Takeshi;Ishikawa Yasuhiko
通讯作者：
Ishikawa Yasuhiko

貼り合わせSi-on-quartzウエハ上ひずみ増強Ge層を用いたフリースペース近赤外pin受光器

在键合石英晶圆上使用应变增强 Ge 层的自由空间近红外引脚接收器

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
葛谷樹矢;古家聖輝;Jose A. Piedra;飛沢健;石川靖彦
通讯作者：
石川靖彦

High-performance Ge/Si electro-absorption optical modulator up to 85°C and its highly efficient photodetector operation

高达 85°C 的高性能 Ge/Si 电吸收光调制器及其高效光电探测器操作

DOI：
10.1364/oe.484380
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
3.8
作者：
Fujikata Junichi;Noguchi Masataka;Katamawari Riku;Inaba Kyosuke;Ono Hideki;Shimura Daisuke;Onawa Yosuke;Yaegashi Hiroki;Ishikawa Yasuhiko
通讯作者：
Ishikawa Yasuhiko

Direct Bandgap Control by Narrowing the Germanium Strip Structure on Silicon for C+L Band Photonic Devices

通过缩小硅上的锗带结构来直接控制 C L 波段光子器件

DOI：
10.1109/jqe.2022.3203128
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
2.5
作者：
Sonoi Shuhei;Katamawari Riku;Shimokawa Manami;Inaba Kyosuke;Piedra;Hizawa Takeshi;Fujikata Junichi;Ishikawa Yasuhiko
通讯作者：
Ishikawa Yasuhiko