Low-temperature synthesis of polycrystalline (poly-) Ge on insulators is a key technology to integrate Ge-CMOS into existing devices. However, Fermi level control in poly-Ge has been difficult because poly-Ge has remained naturally highly p-type due to its defect-induced acceptors. We investigated the formation of n-type poly-Ge (thickness: 100–500 nm) using the advanced solid-phase crystallization technique with Sb-doped densified precursors. Sb doping on the order of 1020 cm−3 facilitated lateral growth rather than nucleation in Ge, resulting in large grains exceeding 15 μm at a low growth temperature (375 °C). The subsequent heat treatment (500 °C) provided the highest electron mobility (200 cm2/V s) and the lowest electron density (5 × 1017 cm−3) among n-type poly-Ge directly grown on insulators. These findings will provide a means for the monolithic integration of high-performance Ge-CMOS into Si-LSIs and flat-panel displays.

1.
G.
Taraschi
,
A. J.
Pitera
, and
E. A.
Fitzgerald
,
Solid State Electron.
48
,
1297
(
2004
).
2.
A.
Nayfeh
,
C. O.
Chui
,
T.
Yonehara
, and
K. C.
Saraswat
,
IEEE Electron Device Lett.
26
,
311
(
2005
).
3.
D. P.
Brunco
,
B.
De Jaeger
,
G.
Eneman
,
J.
Mitard
,
G.
Hellings
,
A.
Satta
,
V.
Terzieva
,
L.
Souriau
,
F. E.
Leys
,
G.
Pourtois
,
M.
Houssa
,
G.
Winderickx
,
E.
Vrancken
,
S.
Sioncke
,
K.
Opsomer
,
G.
Nicholas
,
M.
Caymax
,
A.
Stesmans
,
J.
Van Steenbergen
,
P. W.
Mertens
,
M.
Meuris
, and
M. M.
Heyns
,
J. Electrochem. Soc.
155
,
H552
(
2008
).
4.
A.
Toriumi
and
T.
Nishimura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
57
,
010101
(
2018
).
6.
R.
Zhang
,
T.
Iwasaki
,
N.
Taoka
,
M.
Takenaka
, and
S.
Takagi
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
335
(
2012
).
7.
K.
Yamamoto
,
T.
Sada
,
D.
Wang
, and
H.
Nakashima
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
122106
(
2013
).
8.
W.
Mizubayashi
,
S.
Noda
,
Y.
Ishikawa
,
T.
Nishi
,
A.
Kikuchi
,
H.
Ota
,
P.-H.
Su
,
Y.
Li
,
S.
Samukawa
, and
K.
Endo
,
Appl. Phys. Express
10
,
026501
(
2017
).
9.
K.
Toko
,
I.
Nakao
,
T.
Sadoh
,
T.
Noguchi
, and
M.
Miyao
,
Solid State Electron.
53
,
1159
(
2009
).
10.
C.-Y.
Tsao
,
J.
Huang
,
X.
Hao
,
P.
Campbell
, and
M. A.
Green
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
95
,
981
(
2011
).
11.
H.-W.
Jung
,
W.-S.
Jung
,
H.-Y.
Yu
, and
J.-H.
Park
,
J. Alloys Compd.
561
,
231
(
2013
).
12.
T.
Sadoh
,
H.
Kamizuru
,
A.
Kenjo
, and
M.
Miyao
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
192114
(
2006
).
13.
S.
Kabuyanagi
,
T.
Nishimura
,
K.
Nagashio
, and
A.
Toriumi
,
Thin Solid Films
557
,
334
(
2014
).
14.
H.
Watakabe
,
T.
Sameshima
,
H.
Kanno
, and
M.
Miyao
,
Thin Solid Films
508
,
315
(
2006
).
15.
W.
Yeh
,
H.
Chen
,
H.
Huang
,
C.
Hsiao
, and
J.
Jeng
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
94103
(
2008
).
16.
K.
Sakaike
,
S.
Higashi
,
H.
Murakami
, and
S.
Miyazaki
,
Thin Solid Films
516
,
3595
(
2008
).
17.
C.-Y.
Liao
,
C.-Y.
Huang
,
M.-H.
Huang
,
W.-H.
Huang
,
C.-H.
Shen
,
J.-M.
Shieh
, and
H.-C.
Cheng
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
06GF08
(
2017
).
18.
K.
Takahashi
,
M.
Kurosawa
,
H.
Ikenoue
,
M.
Sakashita
,
O.
Nakatsuka
, and
S.
Zaima
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
062104
(
2018
).
19.
T.
Matsui
,
M.
Kondo
,
K.
Ogata
,
T.
Ozawa
, and
M.
Isomura
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
142115
(
2006
).
20.
M.
Tada
,
J.-H.
Park
,
D.
Kuzum
,
G.
Thareja
,
J. R.
Jain
,
Y.
Nishi
, and
K. C.
Saraswat
,
J. Electrochem. Soc.
157
,
H371
(
2010
).
21.
K.
Usuda
,
Y.
Kamata
,
Y.
Kamimuta
,
T.
Mori
,
M.
Koike
, and
T.
Tezuka
,
Appl. Phys. Express
7
,
56501
(
2014
).
22.
M.
Asadirad
,
Y.
Gao
,
P.
Dutta
,
S.
Shervin
,
S.
Sun
,
S.
Ravipati
,
S. H.
Kim
,
Y.
Yao
,
K. H.
Lee
,
A. P.
Litvinchuk
,
V.
Selvamanickam
, and
J.-H.
Ryou
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1600041
(
2016
).
23.
Z.
Wang
,
L. P. H.
Jeurgens
,
W.
Sigle
, and
E. J.
Mittemeijer
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
016102
(
2015
).
24.
S.
Hu
,
A. F.
Marshall
, and
P. C.
McIntyre
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
82104
(
2010
).
25.
K.
Toko
,
M.
Kurosawa
,
N.
Saitoh
,
N.
Yoshizawa
,
N.
Usami
,
M.
Miyao
, and
T.
Suemasu
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
072106
(
2012
).
26.
J.-H.
Park
,
K.
Kasahara
,
K.
Hamaya
,
M.
Miyao
, and
T.
Sadoh
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
252110
(
2014
).
27.
H.
Higashi
,
K.
Kudo
,
K.
Yamamoto
,
S.
Yamada
,
T.
Kanashima
,
I.
Tsunoda
,
H.
Nakashima
, and
K.
Hamaya
,
J. Appl. Phys.
123
,
215704
(
2018
).
28.
Y.
Kamata
,
M.
Koike
,
E.
Kurosawa
,
M.
Kurosawa
,
H.
Ota
,
O.
Nakatsuka
,
S.
Zaima
, and
T.
Tezuka
,
Appl. Phys. Express
7
,
121302
(
2014
).
29.
H.
Haesslein
,
R.
Sielemann
, and
C.
Zistl
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
2626
(
1998
).
30.
K.
Toko
,
R.
Yoshimine;
,
K.
Moto
, and
T.
Suemasu
,
Sci. Rep.
7
,
16981
(
2017
).
31.
R.
Yoshimine
,
K.
Moto
,
T.
Suemasu
, and
K.
Toko
,
Appl. Phys. Express
11
,
031302
(
2018
).
32.
D.
Takahara
,
R.
Yoshimine
,
T.
Suemasu
, and
K.
Toko
,
J. Alloys Compd.
766
,
417
(
2018
).
33.
T.
Imajo
,
K.
Moto
,
R.
Yoshimine
,
T.
Suemasu
, and
K.
Toko
,
Appl. Phys. Express
12
,
015508
(
2019
).
34.
F. A.
Trumbore
,
Bell Syst. Tech. J.
39
,
205
(
1960
).
35.
M.
Koike
,
Y.
Kamata
,
T.
Ino
,
D.
Hagishima
,
K.
Tatsumura
,
M.
Koyama
, and
A.
Nishiyama
,
J. Appl. Phys.
104
,
023523
(
2008
).
36.
S.
Prucnal
,
F.
Liu
,
M.
Voelskow
,
L.
Vines
,
L.
Rebohle
,
D.
Lang
,
Y.
Berencén
,
S.
Andric
,
R.
Boettger
,
M.
Helm
,
S.
Zhou
, and
W.
Skorupa
,
Sci. Rep.
6
,
27643
(
2016
).
37.
M.
Miyao
,
M.
Moniwa
,
K.
Kusukawa
, and
W.
Sinke
,
J. Appl. Phys.
64
,
3018
(
1988
).
38.
T.
Sadoh
,
Y.
Kai
,
R.
Matsumura
,
K.
Moto
, and
M.
Miyao
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
232106
(
2016
).
39.
K.
Moto
,
R.
Yoshimine
,
T.
Suemasu
, and
K.
Toko
,
Sci. Rep.
8
,
14832
(
2018
).
40.
J. W. Y.
Seto
,
J. Appl. Phys.
46
,
5247
(
1975
).
You do not currently have access to this content.