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。

在本研究中，我们创建了一种新型超高Sn成分IV族混晶薄膜，其具有不能存在于一般热平衡状态的非平衡有序或无序系统，并基于对其电子特性的阐明和控制，我们旨在建立一个有助于新一代固态器件开发的工程基础。创建超高锡成分GeSn或SiSn薄膜，其锡含量达到50%，阐明其晶体和电子特性，并深化新型IV族混合晶体半导体薄膜的材料科学，这将有助于下一代纳米电子学的发展。。现将今年的主要工作成果介绍如下。 (1)针对在大晶格常数InP(001)衬底上外延生长Sn成分为25%的GeSn混晶，研究了衬底清洁条件和生长温度对所形成层的结晶度的影响。通过显微拉曼光谱和TEM/EDX的详细分析，我们发现InP层清洗过程中形成的表面沉淀In点是形成低Sn成分GeSn区域的原因，并且我们发现清洁表面的形成抑制In点的形成结果表明，该方法对于实现具有高Sn组成的GeSn外延层是有效的。结果，我们能够证明可以形成高质量、均匀的具有高 Sn 成分的 GeSn 层，而没有孪生或堆垛层错。 (2)通过在绝缘薄膜上堆叠Sn含量高达30%以上的GeSn层和SiO2层，利用显微拉曼演示了Sn含量大于25%的多层GeSn纳米点层的形成光谱学。此外，根据GeSn纳米点样品的光致发光（PL）特性，我们检测到波长为2μm、半宽度为0.7μm的PL发射，证明了纳米点形成对PL波长的控制。 (3)利用GeSn/GeSiSn异质结构形成多量子阱结构并评价其晶体和光电性能。通过对具有 Sn 成分为 9% 的 GeSn 层的双量子阱结构的 PL 测量进行详细评估，我们可以观察到分别由导带 Γ 点和 L 点引起的发光。我们还证明，通过350℃以下的适当热处理可以提高量子结构样品的PL性能。