東京都市大学

世田谷区,  東京都 
Japan
  • 小間番号4074

次世代CMOSチャネルやオンチップ光配線用発光源に向けて期待されるゲルマニウム材料を用いた最新技術を紹介します

 今日の情報通信技術を支えている半導体エレクトロニクスは、その性能向上限界と消費電力増大が世界的に問題となっています。これを解決するために、東京都市大学 総合研究所 ナノエレクトロニクス研究センターでは、クリーンルーム内の多数の半導体結晶成長、プロセス装置を駆使し、ゲルマニウム(Ge)という新規高性能材料を用いた次世代の超低消費電力・光電子融合素子、具体的には、歪みGe薄膜やGe量子ナノドットを用いた、超高速トランジスタおよび発光デバイスの開発を進めています。本研究センターで行っている研究内容について紹介します。

大口径Ge-on-Insulatorウェハー開発

Ge高速デバイス、高効率発光デバイスの実現には、高品質なGe結晶をSi基板上に形成することが不可欠です。Geの結晶成長と貼り合わせ技術を利用することで,高品質かつ結晶歪みを有する歪みGe-on-Insulator基板の形成に成功しました。Siウェハーを置き換えることが期待できます。実験室レベルで作製したチップ形状の超薄膜Ge-on-Insulatorを展示しています。

歪みGeチャネル高速電子デバイス

分子線エピタキシー(MBE)装置により、高品質なSi/Ge半導体ヘテロ構造を結晶成長により作製し、歪みGeチャネル構造において半導体の中でも最も高い正孔移動度を達成しました。さらにMBEと原子層堆積装置(ALD)を組み合わせることで、超高品質ゲート絶縁膜/Ge界面を実現し、超高移動度GeチャネルMOSFETデバイスを目指しています。「歪みシリコン」はすでにLSIに取り込まれている技術ですが、「結晶歪み」がどのようにデバイス高速化に役立っているのか、歪みGeチャネルと共に説明いたします。

ゲルマニウム・レーザー開発

LSIの超低消費電力化に向けて、シリコンチップ上の光配線が非常に期待され、そのためにモノリシックに集積可能な発光素子実現が求められています。そのために、Si上に結晶成長可能である歪みGeGe量子ドットによる発光構造、さらにマイクロディスクフォトニック結晶などの微小共振器構造を組み合わせ、シリコン上高効率発光デバイス光配線を目指しています。

MEMSデバイス応用のための歪みGeマイクロ構造

本来間接遷移型半導体であるGeは、結晶歪み導入によるバンドエンジニアリングによって、直接遷移型に近づけることが可能で、それによって幅広い光デバイス応用への道が開けます。これまでに、Si上GeやGOIウェハーの選択エッチング加工により、マイクロブリッジなどのマイクロ構造を形成し、非常に大きい歪みの導入を達成しています。さらに共振器やMEMSデバイスとの融合による新機能・高性能デバイスを目指しています。

原子層材料による高効率発光デバイス開発

さらに高効率・高機能発光電子デバイスを目指して、原子層材料の研究を行っています。特に遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)材料に注目し、基礎光学特性を調べ、これまで分からなかった物性を明らかにすることで、次世代の新規デバイスの提案・実現へつなげていくことを目指しています。