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
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・光電子スピン融合素子、具体的には、歪みGe薄膜やGe量子ナノ構造、Geマイクロ構造を用いた、超高速トランジスタ、発光デバイスおよびスピン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。
歪み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。さらにこの基板うえにSiGe/Geヘテロ構造の形成も可能です。
歪みSiGe/Geヘテロ構造の結晶成長
歪みを有するSiGe/Geヘテロ構造は、バンドエンジニアリングによる電気特性や発光特性、さらにスピン特性の向上をもたらし、様々なデバイス応用が期待されています。しかしながら、歪みの影響により結晶欠陥が発生しやすく、その抑制が必須となります。我々は、独自に開発したGe疑似基板パターニング法により、歪みSiGe層内に発生する欠陥（クラック）を完全に抑制することに成功しています。
歪み Si/Geチャネル高速・高機能MOS
分子線エピタキシー（MBE）装置を用いて、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デバイスを目指します。また強磁性材料を電極としたスピンMOSFETの開発も進めています(*)。「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。 （*阪大と共同研究）
オンチップ光配線に向けたGe発光デバイス
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GeやGe量子ドットによる発光構造、直接遷移化に向けて歪みを増強させることが可能なGeマイクロブリッジを開発しシリコン上高効率発光デバイス、光配線の実現を目指しています。最近、歪みGeLEDから室温で非常に大きなEL発光を得ることに成功しました。
光暗号通信や医療応用へ向けた円偏光発生スピンLED
円偏光を利用して癌細胞を検出することができるため、内視鏡先端に装着可能な円偏光発生素子が求められています。また光暗号通信での円偏光の利用も期待されています。その中、我々はゲルマニウム(Ge)円偏光発生スピンLEDを開発しています。通常、偏光を発生させるには大きな光学素子が必要ですが、スピンLEDが実現すれば、円偏光をSiのICチップ内で発生させることができ、円偏光利用デバイス実用化への道が拓けます。 円偏光を発生させるためには、スピンを持った（スピン偏極した）電子をLEDに注入する必要があり、強磁性体電極を利用したスピンLEDを開発しています(*)。（*阪大と共同研究）
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。