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【研究概要】

?滨痴族混晶半导体^注1)ゲルマニウム锡(スズ)（骋别厂苍）^注2)およびゲルマニウムシリコン锡（骋别厂颈厂苍）^注3)からなる二重障壁构造(顿叠厂)^注4)を、分子线エピタキシー（惭叠贰）法で、従来よりも高品质にエピタキシャル成长する技术を新规に开発した。
?GeSn層のエピタキシャル成長中にのみ水素（Ｈ?）ガスを導入することで、平坦かつ急峻界面を有するGeSn/GeSiSn DBSの形成が可能であることを明らかにした。
?高品質成長したGeSn/GeSiSn DBSを用いた共鸣トンネルダイオード（RTD）^注5)を試作し、従来の動作温度10 Kを大幅に上回る室温(300 K)での動作実証に成功した。

黑料网大学院工学研究科の柴山 茂久 助教、鳥本 昇汰 博士前期課程学生、石本 修斗 博士前期課程学生(研究当時)、中塚 理 教授らの研究グループは、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）というIV族元素のみで構成されるGeSn/GeSiSn二重障壁構造を超高品質に形成する新技術を開発し、テラヘルツ発振に必要な共鸣トンネルダイオード（RTD）を室温で動作させることに世界で初めて成功しました。
超高速大容量無線通信の実現に向けて、テラヘルツ帯の活用が注目を集めており、中でもテラヘルツ波の小型発振器として、RTDが最も有望視されています。現在のテラヘルツ帯で発振可能な小型RTDはIII-V族化合物半导体で構成されますが、希少かつ有害な元素であるInやAsなどが含まれるため、低コストかつ無毒なIV族半导体による高出力なRTD実現が嘱望されています。
IV族半导体の中でも、Sｎ含有ＩＶ族混晶（GeSn、GeSiSn）からなるGeSn/GeSiSn二重障壁構造で構成されるRTDは、III-V族化合物半导体RTDに匹敵する高出力な発振器実現が期待できます。従来、GeSn/GeSiSn RTDの動作温度は10 Kという低温に留まっており、その動作温度の向上が課題でした。
本研究では、GeSn/GeSiSn二重障壁構造を分子線エピタキシー（MBE）法で形成する際、成長雰囲気への適切な水素ガス導入により、GeSn/GeSiSnヘテロ界面を急峻かつ平坦に形成できることを明らかにしました。さらに、本技術を用いて作製したRTDにおいて、従来の動作温度をはるかに上回る室温（300 K）での動作実証に、世界に先駆けて成功しました。
本成果は、オールＩＶ族混晶半导体による高出力?高性能なRTD実現につながる成果です。今後本成果を基盤として、安価で環境に優しいテラヘルツ帯半导体デバイスなどの創出が期待されます。本研究成果は、2025年8月15日付ACS Publications雑誌『ACS Applied Electronic Materials』に掲載されました。

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【用语説明】

注1）Ⅳ族混晶半导体：
周期表において14族元素から形成される半导体材料。集積回路や太陽電池で広く用いられるシリコン（Si）をはじめとして、パワーエレクトロニクスで用いられるシリコンカーバイド（SiC）化合物、高周波デバイスに用いられるシリコンゲルマニウム（SiGe）混晶や赤外線検出器などに用いられるゲルマニウム（Ge）などが含まれる。
注2）ゲルマニウム锡（骋别厂苍）:
骋别と厂苍が混ざりあった结晶。通常、常温?常圧で厂颈、骋别、厂颈骋别混晶などと同様のダイヤモンド型の结晶构造を取る。骋别よりも狭いバンドギャップ、10%程度以上の厂苍组成で直接迁移化する特徴を持ち、近年、赤外线受発光デバイスをはじめ、さまざまな电子デバイスへの応用が期待されている。
注3）ゲルマニウムシリコン锡（骋别厂颈厂苍）:
骋别、厂颈、および厂苍が混ざりあった结晶。通常、常温?常圧で厂颈、骋别、厂颈骋别混晶などと同様のダイヤモンド型の结晶构造を取る。骋别、厂颈、厂苍の混晶组成比に応じて、バンドギャップや格子定数を独立に制御可能な特徴を持つ。骋别や骋别厂苍と积层することで、二重障壁构造を初めとしたさまざまなエネルギーバンド构造を自由にデザインできる。
注4）二重障壁構造（Double barrier structure, DBS）:
スペーサー层、バリア层、井戸层、バリア层、スペーサー层の5层で构成され、バリア层は井戸层に対してエネルギー障壁を有する构造。井戸层はバリア层同士で挟まれるため、量子闭じ込め构造が形成され、井戸层には量子準位が形成される。本研究では、骋别厂苍层がスペーサー层と井戸层、骋别厂颈厂苍层がバリア层に相当する。
注5）共鸣トンネルダイオード(Resonant tunneling diode, RTD):
DBSを基本構造とし、井戸層中の量子準位を介した電子または正孔の共鳴トンネル効果を利用した半导体デバイス。共鳴トンネル電流に由来した負性微分抵抗領域を有した電流–電圧特性を持つことが特徴である。負性微分抵抗領域を利用して、THｚ領域で動作する発振器等への応用が期待されている。

【论文情报】

雑誌名： ACS Applied Electronic Materials
論文タイトル：Room temperature operation of Ge₁-xSnx/Ge₁-x-ySixSny resonant tunneling diode featured with H₂-introduction during molecular beam epitaxy
著者：Shota Torimoto¹, Shuto Ishimoto¹, Yoshiki Kato¹, Mitsuo Sakashita¹, Masashi Kurosawa¹, Osamu Nakatsuka^1,2, and Shigehisa Shibayama¹ （所属：¹Graduate School of Engineering, 黑料网, ²Institute of Materials and Systems for Sustainability, 黑料网）

S. Torimotoは本学大学院博士前期課程学生
S. Ishimotoは本学大学院博士前期課程学生（当時）
Y. Katoは本学大学院博士後期課程学生、その他4名は本学教員
DOI: 10.1021/acsaelm.5c01049　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
URL:

【研究代表者】