【研究領域課題番号】20K15170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / エピタキシャル成長 / 光電子物性 / カルコゲナイド / ペロブスカイト / 薄膜 / 発光

【研究成果の概要】

本研究課題では、III-V族半導体をベースとした発光ダイオードが抱えるグリーンギャップ問題（緑色波長領域において発光量子効率が激減する課題）の抜本的解決を目指し、非結合性軌道とバンドフォールディングに着目した独自の化学的材料設計指針に基づき見いだされたペロブスカイト型硫化物半導体SrHfS3のエピタキシャル薄膜を用いたpnホモ接合を作製することで、SrHfS3の緑色発光ダイオード特性を評価することを目的としている。
本研究では、高品質なSrHfS3多結晶焼結体をターゲットとしたパルスレーザー堆積法を用いることで、二次的なアニール処理による表面汚染を避け、清浄かつ平坦表面が実現出来るin-situでのSrHfS3薄膜の作製、さらにはそのエピタキシャル薄膜成長を試みた。その結果、基板温度とパルスレーザー強度といった薄膜成長条件を最適化することで、斜方晶構造を反映した2階の面内回転対称性を有するドメインが互いに90度ずつずれて成長するツインドメインのSrHfS3エピタキシャル薄膜を得ることに成功した。
本年度はその結晶品質の更なる最適化を行った。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】18H03860 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー / 酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流 / エピタキシャル成長 / トランジスタ / 二次元界面 / トポロジカル / ヘテロ構造 / スピントランジスタ / 単結晶

【研究成果の概要】

本研究では、超高品質単結晶ヘテロ構造の作製技術を用いることにより、物質が本来内因するスピンに依存した機能性を新たに開拓することを目標とした。実際に、酸化物の二次元電子ガスを用いて極めて高効率のスピン流電流変換に成功した。半導体ベースの強磁性材料において、強磁性体単一層に電流を流すだけで磁化反転が起こることを見出し、世界最小電流密度での磁化反転に成功した。酸化物磁気トンネル接合において、強磁性酸化物界面の特異な状態密度を活かして、金属系接合で磁化反転に必要な電流密度より約8桁小さな電流密度で磁化の90度回転が起こることを発見した。デバイス応用上有望な様々な新たな基礎的な知見を得ることができた。

【研究の社会的意義】

原理的にエネルギー散逸がないとされている純スピン流を利用したり、強磁性体の磁化の不揮発性を利用して現在の集積回路を完全不揮発にすることにより、情報機器の消費電力を極限まで低減できる新しい技術を開拓することは極めて重要な課題である。本研究では、スピンの散乱を大幅に低減可能なオールエピタキシャルの酸化物二次元電子系や、半導体や酸化物の高品質単結晶ヘテロ構造を用いて、非常に高効率のスピン流電流変換や、世界最小の電流密度での磁化反転現象や磁化回転現象などを観測することに成功した。本研究で得られた新たな知見は、将来的には、全不揮発の極限的な低消費エネルギー情報処理技術の実現に結びつくものと期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】15H02238 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光触媒 / 化合物半導体 / 分極制御 / 有機金属気相成長 / 再生可能エネルギー / 半導体 / 結晶成長 / 光電気化学 / 窒化ガリウム / 表面構造 / フェルミエネルギー / GaN / エピタキシャル成長 / 分極

【研究成果の概要】

AlN極薄層を用いた分極制御トンネル接合を用い，n型窒化物エピタキシャル結晶（GaNおよびInGaN）を光吸収層とする光カソード電極の作製と動作実証に成功した．デバイスシミュレーションに設計したAlNトンネル接合を得るため，低温成長やガス切り替えシーケンスの最適化などエピタキシャル成長における新手法を開発した．さらに，PtによりGaN表面修飾により，外部電位を用いない光水分解による水素生成を達成した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】44,720千円 (直接経費: 34,400千円、間接経費: 10,320千円)

【研究分野】電力工学・電力変換・電気機器

【研究領域課題番号】26630107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / III-V族化合物 / 太陽電池 / 量子井戸 / 定量光学評価 / MOCVD / エピタキシャル成長 / III-V族化合物半導体 / 量子構造 / エピタキシャルリフトオフ / フォトルミネッセンス / エレクトロルミネッセンス / 化合物半導体 / 多重量子井戸 / 超格子 / CPV / 薄膜III-V族セル / 集光型太陽光発電 / 低コスト化

【研究成果の概要】

人工的にバンドギャップを制御した多重量子井戸（MQW）を挿入したGaAs単接合太陽電池に対して、結晶成長基板を分離することで薄膜化セルを形成する手法を確立した。さらに、MQWセルの裏面にグレーティングと高効率反射層からなる構造を形成し、光閉じ込め効果を増強することで物理的厚さの5倍以上の有効光学厚みが得られることが示された。さらに、MQW太陽電池に対して、エレクトロルミネッセンス評価を定量的に実施することによって、デバイス内部における擬フェルミ準位の状態を推定した。この結果から、光励起されたキャリアがMQW層において優先的に発光再結合し、GaAsバルク構造より発光効率が高くなることが示された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】24360004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 光物性 / エピタキシャル成長 / 量子光学 / 単一光子 / 量子もつれ光子対 / 半導体物性 / MBE、エピタキシャル / 応用光学・量子光光学 / 応用光学・量子光工学 / 励起子分子 / 原子層ドーピング / 等電子トラップ

【研究成果の概要】

原子層ドーピングを利用して、窒素原子およびエルビウム原子局所ドーピング構造半導体を作製し、量子情報通信において重要な役割を担う完全ランダム偏光かつ優れた波長再現性を有する単一光子および量子もつれ光子対の高効率生成を目指した。窒素原子局所ドーピング構造半導体を用いて、量子もつれ光子対生成に応用できるランダム偏光の励起子分子および励起子発光の観測に成功した。エピタキシャル成長中のエルビウム原子の表面偏析の温度依存性を定量的に調べることによって、原子層ドーピング構造半導体を作製するための条件として低温成長が必須であることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

太陽電池 / 温度安定性 / 励起子吸収効果 / 分子線エピタキシー / 超格子太陽電池 / AlGaAs/GaAs超格子 / Si/SiO2超格子 / スパッタリング / 超格子 / タンデム太陽電池 / 励起子吸収 / AlGaAs/GaAs / 解放電圧 / Si/SiO2 / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 作成・評価技術 / 表面 / 界面 / エピタキシャル成長 / 結晶評価 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

太陽電池の重要な問題点のひとつは温度上昇による特性劣化である。温度上昇によりバンドギャップが減少しVocが低下することが原因である。半導体超格子では量子効果と励起子吸収によりこの傾向が緩和されると考え、AlGaAs/GaAs超格子を用いてこれを実証した。
最適化されたAlGaAs/GaAs超格子太陽電池では、100℃という高温においてもVocとηの減少は少なく、特にdη/dTは0.22/deg.が得られた。これは報告されている太陽電池の中で最も低い値である。さらに超格子構造では、励起子吸収の効果が顕著になり、等価な構造を持つGaAsバルク太陽電池よりも高い効率が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】22360032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光制御 / スピントロニクス / 量子ドット / 円偏光 / フォトルミネッセンス / 発光ダイオード / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 光物件 / エピタキシャル成長 / 光物性 / エじタキシャル成長

【研究成果の概要】

本研究は、1.3 ミクロン帯または可視光域で円偏光光源に応用可能な半導体の探索を目的とした。波長1 ミクロンより長波側の発光では、InAs コラムナー量子ドットが、波長1.06 ミクロンで3.42 ns の長いスピン緩和を示すことを明らかにし、また、InAs 高均一量子ドットが、面内異方性により基底準位から第二励起準位までいずれも安定な楕円偏光を示すことを初めて明らかにした。可視光域では、Ge 基板上の高Si ドープGaInP のドナーアクセプタ対の発光(687nm)のスピン緩和が210 ns と既報告の中で最も長いものの一つであることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】18206004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 結晶成長 / 半導体物性 / 光物性 / エピタキシャル成長

【研究成果の概要】

我々は、有機金属気相成長法により、(0001)六方晶窒化ホウ素薄膜が、ニッケル(111)基板とサファイア(0001)基板上にエピタキシャル成長することを見出した。六方晶窒化ホウ素エピタキシャル薄膜は、カソードルミネッセンス測定から室温において227nm付近のバンド端近傍の発光を示し、その光学バンドギャップは、5.9eV、直接遷移であり、遠紫外発光材料として有望である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2009

【配分額】40,430千円 (直接経費: 31,100千円、間接経費: 9,330千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】07555412 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MnAs / 分子線エピタキシ- / 強磁性体 / 半導体多層構造 / GaAs / 不揮発性メモリ / スピンバルブ / (111)基板 / エピタキシャル成長 / 強磁性体半導体多層構造 / エピキシシャル成長 / エピタキシャル強磁性体超薄膜 / 半導体基板 / 磁気異方性 / 半導体 / 磁性体多層構造 / 一軸異方性 / 磁性体薄膜 / 金属間化合物 / 強磁性MnGa薄膜 / 垂直磁化 / ヘテロエピタキシ- / 強磁性MnAs薄膜 / 交番力マグネトメータ

【研究成果の概要】

強磁性金属間化合物MnAsに着目し、半導体基板上にエピタキシャル単結晶強磁性体薄膜を形成し、その構造・電気的・磁気的性質を最適化することにより、半導体エレクトロニクス回路と融合可能なオンチップ不揮発性メモリ実現のための材料開発を行うことを主目的として以下の研究を行った。平成9年度は、強磁性体薄膜MnAsと化合半導体GaAsから成る多層構造(3層構造)の分子線エピタキシ-(MBE)を用いたエピタキシャル成長と物性機能の探索に重点をおいて以下の研究を行った。
(1)強磁性体(MnAs)/半導体(GaAs)多層構造のエピタキシャル成長:GaAsやSi半導体基盤の方位を従来の(001)に加えて(111)方位を使用することにより、MnAs(0001)面のエピタキシャル成長薄膜を得た。この強磁性薄膜は、その構造対称性を反映して面内で磁気異方性がないことがわかった。さらにスピンとキャリア電荷の両方を利用したより高度な機能の実現を目指すため、これら(111)半導体基板上にMnAs/GaAs/MnAs/GaAs、及びMnAs/GaAs/MnAsから成る多層構造のMBE成長を行い、原子レベルで急峻な界面をもつ多層構造が形成されていることを、高分解能の電子顕微鏡観察で確かめた。
(2)半導体/磁性体多層構造の物性機能:多層構造中のMnAsは良好な磁気特性を示し、その飽和磁化は600eμ/cm3程度と、バルクMnAsで報告されている値に劣らないことを示した。また、成長条件を制御することにより、磁気特性のヒステリシスにダブルステップが現れた。これは、上下のMnAs層で保持力が異なるためである。半導体/磁性体から成るエピタキシャル多層構造は、スピンバルブ効果、磁気抵抗効果などを用いたセンサやメモリなどの磁気デバイス機能と半導体機能を融合させるために、有望な新しい材料系であることを示した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】5,400千円 (直接経費: 5,400千円)