【研究領域課題番号】19H02534 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

太陽電池 / 赤外光電変換 / 量子ドット / ワイドギャップ半導体 / ナノ構造材料 / 低次元材料 / コロイド量子ドット / ZnOナノワイヤ / バルクヘテロ構造 / ナノ構造 / 光電変換

【研究成果の概要】

透明導電性基板上のZnOナノワイヤ(NW)を包埋するように、PbSコロイド量子ドットを充填して混合活性層を作製し、その上にAu電極を成膜した太陽電池の赤外分光感度の向上を目指し、混合活性層の電子構造の解明、高品質化を行った。本太陽電池が高赤外分光感度や高耐久性を有する要因として、ZnO NW中の電子が、Au電極に拡散できないエネルギー障壁を有する電子構造であることを明らかにした。電荷輸送に影響するZnONWの欠陥や電子格子相互作用を発光分光法で調べ、酸素下500℃の熱処理が欠陥低減に有効であることを明らかにした。混合活性層を活用することで、非鉛系赤外吸収ナノ結晶を用いたセルの高効率に成功した。

【研究の社会的意義】

地球温暖化対策の一つとして、太陽光発電の大規模導入が急務であり、既存の設置環境に加え、車輛など設置面積の制約が強い用途にも、普及させなければならない。これを実現するためには、単接合セルの理論限界(約30%)を凌駕する超効率太陽電池を安価に作製することが不可欠である。コロイド量子ドットは、合成条件を整えると、太陽光スペクトルのほぼ全領域を吸収できるようになる。また、低コストの低温溶液プロセスでのセル作製が可能であり、超高効率と低コストの両立を目指した次世代太陽電池の有望な材料である。本研究成果は、これらの有望な材料で超効率太陽電池を構築するための、基礎科学を提供すること。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】25246004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / テラヘルツ / 単一電子トランジスタ / ナノ構造 / 量子ナノ構造 / 量子準位 / 帯電エネルギー / テラヘルツ電磁波

【研究成果の概要】

自己組織化InAs量子ドット中では、軌道間の量子化エネルギー差や帯電エネルギーが、テラヘルツの光子エネルギーに相当する。しかし、一般にテラヘルツ電磁波の波長に比べ、量子ドットのサイズが非常に小さいため、通常のテラヘルツ透過測定では単一量子ドットの信号を得ることは不可能である。本研究では、ソース・ドレイン電極をアンテナとして用いて、テラヘルツ電磁波を単一量子ドットに集光し、さらに同じ電極を用いて量子ドットを流れるテラヘルツ誘起光電流を計測することにより、量子ドットのサブレベル間エネルギーや帯電エネルギーなど、重要な電子状態のパラメータを決定することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】18201027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ制御 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / 分子素子 / 半導体超格子 / ブロッホ振動 / 量子ドット / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究では、電子とテラヘルツ電磁波との相互作用の詳細な検討から、バルク半導体や半導体超格子構造中の電子の特異な伝導ダイナミクスとそれがもたらす利得スペクトルを明らかにした。さらに利得を応用したテラヘルツ発振器の実現に向けたテラヘルツ共振器構造の試作と評価を行った。また、光の回折限界を大きく超えて、テラヘルツ電磁波で単一の量子ドットや分子の伝導ダイナミクスを測定するためのナノギャップ電極試料構造を作製し、ナノ領域特有の新規な伝導特性を見いだした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】51,870千円 (直接経費: 39,900千円、間接経費: 11,970千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13555104 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 光検出 / 量子ナノ構造 / ヘテロ構造 / 赤外光 / サブバンド間遷移 / 単一電子トランジスタ / ナノ構造 / 赤外線 / トンネル効果 / サブハンド間遷移

【研究成果の概要】

波長数μm^〜数十μmの中赤外帯の光検出は、リモートセンシングや排ガス計測などの環境計測、宇宙物理、暗視装置、バイオ関連等の応用分野で極めて重要な技術となりつつある。近年、その作製技術や物性の理解が急速に進展しつつある自己組織InAs量子ドットは、作製の容易さ、電子閉じ込めエネルギー、光との散乱断面積の大きさ等の観点から、中赤外光検出の活性層として極めて魅力的である。
本研究では、高移動度変調ドープ量子井戸構造と自己組織化InAs量子ドットを組み合わせた新しい素子構造(変調ドープ量子ドット赤外光検出器)を提案し、量子ドットの光イオン化を用いた中赤外光の高感度検出を実現するとともに、その物性の理解と高性能化への指針を得ることを目標に研究を行った。現在までに、n型変調ドープ量子ドット赤外光検出器構造を用いて、従来の量子井戸赤外光検出器の感度の約10倍の感度(5A/W)を達成するとともに、p型変調ドープ量子ドット赤外光検出器構造においては、さらに高い感度を得ることができるであろうという感触を得た。また、光励起キャリアの緩和過程において、p準位や濡れ層の連続準位が重要なはたらきをしていることを明らかにした。
さらに、本研究では、量子ドットをクーロン島とする単一電子トランジスタ構造を作製し、それを光吸収量子ドットと積層化することにより、赤外単一光子検出を実現することをめざして研究を行った。その成果として、量子ドット単一電子トランジスタを実現し、量子ドットのシェル構造、帯電エネルギーなど、新しい知見を得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】12450120 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グレイン(粒状)物質 / 量子ドット / アンチドット / 電子散乱 / 量子リング / 局在 / 電子緩和 / ナノ構造 / InAsドット / 零次元電子 / プレーナ起格子

【研究成果の概要】

(1)10nm(ナノメートル)級のグレイン物質の代表として、InAsの自己形成量子ドットを形成し、電子を捕捉する研究を展開し、新知見を得た。GaAs/n-AlGaAs界面チャネルに伝導電子を蓄積し、チャネル近傍にドットを配置させると、電子の一部がドットに捕縛され、荷電したドットとチャネル内の電子は強く相互作用し、散乱や位相緩和が起きる。また、伝導計測からドットの荷電状態が判別でき、メモリー機能を示すが、その特色を明らかにした。また、捕捉状態の電子は、光励起で消去(中性化)でき、正孔を捕捉し正に帯電した第3の状態を作り出せる光検出器として機能するが、その特色も示した。なお、ドットの励起準位に流入した電子が基底準位に緩和する際に、光学フォノンと電子が強く結合し、ポーラロン状態のできることも見出した。
(2)InAs以外の材料系のグレインの振舞いについても調べた。とくにAlGaSb系のナノ結晶をGaAs系量子井戸内に埋め込んだ系では、正孔のみがGaSbに捉えられ、電子はその周りを周回して量子リング状態を作ること、また、正に帯電した金属ナノプローブを表面近くの量子井戸に近づけ、収束電界を作用させると、その直下に電子が閉じ込められ量子ドットとなることなどを見出した。さらに、表面近くのInGaAs系量子井戸の真上にInPの島状結晶を自己形成させると、歪みの作用で井戸内には零次元電子状態やポテンシャルの起伏が生じることを指摘した。この系に、バンド間の光励起を行うと、電子正孔の一部はドット内に緩和してから発光し、残りは井戸内で発光する。この状態で、テラヘルツ電磁波を照射すると、井戸内の電子や正孔のドットへの流入が促進され、ドットからの発光が強くなることを見出した。さらに、光励起の波長を変えると、電子の緩和プロセスも左右されて、蛍光スペクトルが大きく変化することを示した。これらの現象のテラヘルツ光の検出器への応用可能性を指摘した。その他に、InAs系多重ドットのシュタルク効果や原子ステップを含む量子井戸における電子の局在化などについも知見を得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】12,500千円 (直接経費: 12,500千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】11555091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ構造 / 量子ドット / 量子細線 / 量子井戸薄膜 / 量子準位 / 光学遷移 / 電子散乱 / 赤外光 / 量子(井戸) / エネルギー準位 / 中赤外光 / シュタルク効果 / 光イオン化 / 自己形成 / 単一ヘテロ構造 / 伝導特性 / メモリ素子 / 赤外検出器 / ボロメータ / 光学フォノン

【研究成果の概要】

10nm級の量子(井戸)薄膜・量子細線・量子ドットなど半導体ナノ構造において、その内部に形成される一連のエネルギー準位やサブバンドの関与する電子の光学遷移や散乱過程を制御する手法を探索するとともに、光変調デバイスへの応用可能性を探る研究を進め、以下に示す知見を得た。
まず、量子ドットに関しては、(1a)積層ドットに電界を加えた時の光吸収スペクトルの解析を進め、禁制遷移の寄与や吸収線の幅や高さを制御する可能性を示した。また、(1b)局所的歪みで誘起されるドット系において、蛍光スペクトルの形状がテラヘルツ電界の作用で大きく変調される現象の仕組みに考察を加え、隣接する薄膜内のキャリアがドットに流入することと、キャリアがドットへ接近して、ドット内のオージェ緩和を促進する機構が重要であることを指摘した。さらに、(1c)ドットをFETの伝導路の近くに配した構造での電子散乱過程を計測・解析し、ドット自身の引力的ポテンシャルの作用は、捕縛電荷による斥力ポテンシャルの作用によってある程度は減殺されるものの、支配的役割を果たすことなどを見出した。
量子細線に関しては、(2a)微傾斜基盤上に形成したステップ形の細線構造において異方的な電子散乱と光学特性の異方性の特色を明らかにした。また、(2b)メサ構造の稜線を用いたリッジ細線について、光学スペクトルの偏波依存性を調べ、細線構造のわずかな非対称性が大きな影響を及ぼすことなどを示した。
また、量子井戸薄膜のサブバンド吸収スペクトルに関しては、(3a)昨年度に検討した電子数依存性に関する知見を深めるとともに、(3b)量子井戸の界面凹凸が吸収線幅に及ぼす効果を詳細に調べ、移動度の測定解析から得られた知見と補完的な知見の得られることを示した。
なお、ゲート電界の作用でドット内の電子数を増減させ、この時生じるバンド間光学特性の変調効果については、理論解析を進めたが、実験的検証は今後の課題に留まった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】10305028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子カスケードレーザ / 半導体レーザ / MOCVD / MBE / ナノ構造 / 量子井戸 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究は,将来の集積電子素子と光素子の融合を目指して、ユニポーラーキャリア動作に基づいた量子カスケード構成による1.5μm波長帯の半導体レーザを実現するための、半導体ヘテロ構造について、結晶成長技術および物理的基礎を中心に研究を行うことを目的としている。
伝導帯において大きなバンド不連続性を実現することが可能なGaN/AlGaN系におけるサブバンド間遷移について研究に取り組んだ。まず、AlGaN/GaN単一ヘテロ構造をサファイア基板上に常圧MOCVD法により結晶成長を行った。電子移動度は室温で理論的限界といわれる2000cm2/V.secをほぼ達成した。これは、界面が良質であることを示すものである。
この単一ヘテロ接合構造において、FTIRにより吸収測定を行ったところ、約270meVのところに吸収ピークが得られた。これは第1サブバンドと第2サブバンドのエネルギー差に対応しており、この値は、AlGaAs/GaAs単一ヘテロ接合においては約30meVであるのと比較すると、約一桁大きいものである。これはピエゾ分極の効果によるものである。
さらに、AlGaN/GaN量子井戸において、井戸幅、量子井戸数を変えながら、サブバンド間吸収を測定した。量子井戸の数依存性においては、量子井戸の数が増大すると、歪の緩和が起こる様子が、吸収ピークのエネルギーシフトから明らかになった。また、井戸幅を狭くすることにより、吸収ピークが短波長にシフトすることを見出した。現時点で、最短の波長は1.7μmであり、光通信に適した波長にかなり近づけることが出来た。
これらの結果は、光通信波長帯における量子カスケードレーザやスイッチの実現のの基盤技術の確立の向けてきわめて重要な結果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】39,000千円 (直接経費: 39,000千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)