【研究分野】エネルギー学

【研究領域課題番号】17H04979 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

化合物半導体 / 太陽電池 / GaAs / 多重量子井戸 / エピタキシャルリフトオフ / レーザーリフトオフ / IR-LLO / 表面活性化接合 / SAB / 半導体 / IRLLO / 有機金属気相成長 / レーザー加工 / 低コスト化技術 / 量子構造 / MOCVD / 低コスト太陽電池 / III-V族化合物 / 超格子 / 低コスト技術

【研究成果の概要】

化合物半導体からなる太陽電池は高効率が期待できる反面、高コストであることが課題であった。この問題に対して、結晶成長時にGaAs基板上に疑似格子整合するInGaAs/GaAsP体重量子井戸層を介して太陽電池を形成し、この多重量子井戸が選択的に赤外線を吸収する性質を利用して、波長1064nmのレーザー光照射によるドライプロセスによって太陽電池層と基板を剥離する赤外線レーザーリフトオフ(IR-LLO)技術を提案し、基礎研究を行った結果、数mmサイズの小規模ながら剥離工程が確認された。

【研究の社会的意義】

本研究によって、GaAsからなる太陽電池がレーザー光を用いたドライプロセスによって剥離加工が可能であることが示された。この結果は宇宙用として用いられる化合物半導体からなる超高効率太陽電池のコスト低減と生産性の向上に寄与することができる。そのため、今後はSi結晶による太陽電池に代わり、地上応用へ向けて高効率多接合太陽電池市場の拡大に資することが期待される。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】24,050千円 (直接経費: 18,500千円、間接経費: 5,550千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】13450009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

BEEM / BEES / 弾道電子放出顕微鏡 / 半導体 / 磁性体ヘテロ構造 / GaAs(001)c(4x4) / 強磁性金属 / 半導体接合 / GaAs(100) c(4x4)構造 / MnAs / LEED-IV解析 / Fe / GaAs

【研究成果の概要】

本研究では,弾道電子放出顕微鏡及び分光法(BEEM/BEES法)を用いて半導体/磁性体表面ナノ構造におけるスピン依存のトンネル現象を微視的に解明することを目的とした.具体的な成果は次の通り.
1.半導体層の形成からBEEM電極の形成,低温でのBEEM/BEES観測までを真空一貫で実現できる装置を開発した.
2.半導体/磁性体表面ナノ構造の形成に関して
(1)各種のGaAs(001)再構成表面上へのFe蒸着について調べた結果,4x6再構成表面上に於いて信頼性の高いショットキー障壁が得られることを見いだした。
(2)閃亜鉛鉱型構造を有するMnAsとCrAsの形成と輸送特性の解明を目指して,GaAs(001)c(4x4)表面上での初期成長過程を検討し,特にMnAsに関しては,LEEDIV解析から表面構造モデルを提案した.
(3)Fe_xSi_<1-x>磁性体表面ナノ構造の形成を目指して,Agにより終端して不活性化したSi(111)√<3>×√<3>-Ag表面を用いることにより,SiとFeとの反応性を制御することにより,サイズが10-20nmのFe_3Si磁性体ナノドットを形成できることを見いだし,さらに微傾斜基盤を用いることによりステップエッジに磁性体ドット列を形成することに成功した.
3. GaAs(001)表面上に作成したFe磁性体層の厚さの異なるGaAs/Feショットキー障壁のBEES測定を行い,Fe層中でのエネルギーに依存する非弾性減衰長を観測し,その値が,1.52-2.74nmと従来の報告より長いことを見いだした.
4. GaAs(001)c(4x4)表面が,単一の構造ではなく少なくとも2種類以上の異なる構造から構成されており,300℃近傍でも相転移することを見いだした.さらに,GaAsの低温成長やMnAs等の初期成長の挙動が,その影響を考慮することにより良く理解できることを明らかにした.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】12,700千円 (直接経費: 12,700千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】12875058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ErAs / GaAs / 半導体 / 半金属 / 共鳴トンネル効果 / 微分負性抵抗 / トンネル効果 / ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / 共鳴トンネルダイオード / 金属 / 半導体複合ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究では、GaAs上で熱力学的にきわめて安定な半金属材料としてNaCl型結晶構造をもつErAsに着目し、ErAs/AlAs/GaAsに代表される異なる結晶構造、異なる格子定数、異なるタイプの化学結合をもつ半金属と半導体を組み合わせたヘテロ接合の結晶成長技術を確立し、形成された金属間化合物/半導体ヘテロ構造の電子伝導、特に共鳴トンネル現象を明らかにし、デバイス応用の実現可能性を探索することを目的とする。最近我々は、MBEによって高品質のErAs単結晶をGaAs基板上にエピタキシャル成長できることを示し、GaAs/AlAs系化合物半導体と熱力学的に安定な金属/半導体ヘテロ構造の作製に成功した。さらに、半金属(ErAs)を量子井戸とする共鳴トンネルダイオード構造を試作し、この材料系では世界で初めて室温で微分負性抵抗を観測した。これは数ナノメータのErAs超薄膜中の量子効果が室温でも明瞭に現れたものであり、将来の量子効果を用いた高速電子デバイス応用へ向けてきわめて有望な結果である。しかしながらその電子物性、電子伝導のメカニズムは未解明のままであり、デバイス応用の試みも行われていない。そこで本年度には、半金属(ErAs)を量子井戸とする超薄膜ヘテロ構造のトンネル現象等の界面に垂直な方向の電子伝導現象の解明を進めることに重点をおき、負性抵抗デバイスの試作を行い、トンネル現象の本質的な機構を探るとともに、デバイス応用のための最適化を行った。
分子線エピタキシーによりIII-V/ErAs/III-Vヘテロ構造を成長し、界面に垂直な方向の電子伝導(トンネル効果)を利用した2端子デバイス(ダイオード)の試作、その電気的特性を、温度、素子サイズ等を変え、様々な条件のもとでその負性抵抗特性を評価し、デバイスの最適化を行った。ダイオードサイズを20ミクロンまで小さくすることにより、微分負性抵抗特性のばらつきを抑えることができた。また、サイズを1ミクロン程度まで小さくしたダイオードにおいては横方向量子サイズ効果によると思われる電流電仕特性の振動現象を見出した。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】10440106 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ粒子 / 複合化 / 半導体 / 強磁性金属 / GaAs / Ni / Au / Pt / ナノ磁性体 / 複合界面 / 表面 / スピン相関 / スピン偏極 / Pd / 質量分析装置 / 巨大磁気モーメント / Ni合金 / 微粒子の久保効果 / ナノ合金

【研究成果の概要】

この研究の過程で見いだした重要な結果はPt,Pd,Auなど化学的に安定でバルクでは磁性と無縁と思われる貴金属でも、ナノ微粒子になると強磁性になることをみいだした点である。とくにPdやAuは原子の状態でも非磁性であるがナノサイズの粒子状態だけで磁性が出現する。つまり微粒子状態でだけで成り立つ独特の磁性出現機構のあることを世界で初めて明らかにした。またPt原子でも、(当然微粒子状態でも)磁性を帯びている。しかしバルクではそれが消えていく。このスピン偏極は3ナノ前後でほとんどなくなることを示した。これらのナノ粒子独特の強磁性出現機構はどのようなことからくるかに関連して、ナノ粒子の特徴である表面原子によるのではないかという仮説が理論家により提案されている。これは2次元電子系に強磁性や反強磁性の出現し得るという結果があるためであるが、ナノ粒子表面がそれと同じと考えることは疑問がのこっていた。我々はこのことを実験的に明らかにするため、Pdナノ粒子の表面にモノレーヤーを製膜するという、我々の開発した複合化技術を利用してこれを調べた。測定は、表面磁性のESR信号の特徴をあらかじめ調べた上、微粒子の表面磁性のESRモードの特徴を決め、表面モードと内部モードESRの相対強度から内部と表面で原子1個あたりどのくらいの磁気を生じているかを調べた。その結果Pd,AuやPtでは表面原子と内部でほぼ同じくらいの磁性を生じていることが実験的に明らかにされた。このことは貴金属の磁性出現機構に於いて表面の2次元性が重要ではなく、ナノ粒子自体として磁気偏極を生じるメカニズムを持つことを意味する。この結果は同時にナノ粒子自体が他にはない電子状態を作り出している事を意味し、その性質がバルクとも原子ともことなる点は応用上も注目すべき結果である。
以上はナノ粒子の表面と内部の複合効果であるが、これらを含めたナノ粒子の特異な性質を電気伝導に反映させる実験として微細加工電極間に粒径がそろったナノ微粒子を作りその磁気的性質を電気伝導を通して制御する実験も行った。この際粒径をそろえる方法として質量分析型蒸着装置のイオン源装置を導入し微粒子を微細加工電極間に作り込んだ。しかし現在の所、直径が10ナノを切ると互いに微粒子が融合して膜状になりはっきりした結果は得られていないのが現状である。しかしそれでも膜化した試料を利用して厚み変化を調べ、GaAs基板を経由した反強磁性相互作用がNiスピン間に働き金属Niの強磁性を弱めること、それがGaAs基板の伝導バンドと直接関係する事が確認され電気伝導による磁性の制御の可能性を示唆する知見が得られた。現在微粒子の融合を妨げる方法を開発しているがそれの完成により、微粒子効果を電気伝導に反映させる事が出来るものと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】11,400千円 (直接経費: 11,400千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】08455006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

III-V半導体 / 磁性体融合系 / GaAs:Mn / GaMnAs / MnAs / GaAs / MnAs 三層構造 / 分子線エピタキシー / スピンバルブ / 磁気結合 / GaAs : Mn / MnAS / 磁性半導体 / 異常ホール効果 / キャリア誘起強磁性 / 磁気光学効果 / p-d交換相互作用 / 磁性半導体超格子 / 量子準位 / 半導体 / 磁性体融合体 / エピタキシャル強磁性薄膜 / 希薄磁性半導体 / 低温MBE / 磁気異方性

【研究成果の概要】

本研究では、「III-V半導体/磁性体融合系(GaAs:Mn)」という新物質を分子線エピタキシー(MBE)を用いて形成し、その物性とくに強磁性MnAsや半導体中のMnイオンのスピンとキャリアの相互作用の関連を調べることを目的として研究を行った。強磁性MnAs上に良質の単結晶GaAs半導体をエピタキシャル成長させ、結晶の対称性や界面エネルギーなどの諸問題を克服し、テンプレート層の効果などを駆使することによって、MnAs上に良質のGaAsを成長させ、多層積層構造の形成に成功した。今年度は特にこの多層構造の様々な特性を評価し、以下の知見を得た。
まず、結晶構造や格子定数が大幅に異なるにもかかわらず、MBEを用いて強磁性金属と半導体から成るエピタキシャル成長を可能にし、GaAs(111)BおよびSi(111)基板上にMnAs/GaAs//MnAs三層構造を形成した。また、高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)による三層構造(各層の厚さは10nm)の断面観察、および室温における磁化測定によって、ヘテロ界面が原子レベルで急峻であることや良好な磁気特性をもつことを示した。上側のMnAs層の保持力が下側のMnAs層の保持力よりも大きいため、磁化特性にダブルステップが見られた。磁化のマイナーループを測ることによって、半導体(GaAs)を介した強磁性層(MnAs)間の磁気的結合を調べた結果、GaAsスペーサ膜厚が5nm以上の3層構造については非結合型であった。強磁性層(MnAs)間の磁気的結合と磁気抵抗効果については、さらに系統的にいくつかのサンプルの測定によって調べたところ、界面に平行方向の伝導においてスピンバルブ効果を実験的に観測した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】6,700千円 (直接経費: 6,700千円)

【研究分野】物理学一般

【研究領域課題番号】07454092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザー / GaAs / AlGaInP / サイクロトロン共鳴 / ランダウ準位 / 量子井戸構造 / 磁気抵抗 / 高磁場下のレーザー / 極低温物性 / 半導体

【研究成果の概要】

本研究は、半導体レーザー(LD)をヘリウム温度にまで冷却し、電子緩和時間が非常に長くなった状態での超低電流でのレーザー発振を実現し、発振スペクトル解析、端子電圧の解析、および、発振光自体をプローブ光として半導体レーザー媒体(主としてGaAs、AlGaAs,AlGaInP系)のLD発振現象と低温物性の研究を行うことを目的としている。ヘリウム温度下で量子構造半導体レーザーに磁場を加え、メゾスコピック物理系と光の相互作用系として極低温の磁場下での半導体レーザー発振を見直すことによって、新しい物理が開けることを期待した。
極低温でLDのV-I,P-I特性の磁場効果などの多数のパラメータを同時測定できるコンピューター制御の計測システムを製作し、実験した。AlGaInPの量子井戸構造LDで、励起電流を一定して、出力光を内部フォトダイオード(PD)で測定しながら、磁場掃引したところ、多くのLDで出力の増加する共鳴ピークを0.3-0.4T付近に観測した。共鳴の幅は4Kで0.1-0.15Tであり、温度上昇ともに広がり、20K程度で共鳴は消失する。この共鳴の磁場ではサイクロトロン共鳴周波数とモード間ビ-ト周波数とが等しい。結晶の対称性よりモード間ビ-ト電場が接合面に平行となる。また、量子井戸構造のためにサイクロトロン運動は接合面に閉じこめられる。磁場と接合面とのなす角に対する共鳴の依存性がこれらの事実から予想される形を示したので、非線形効果によるモード間ビ-トとサイクロトロン共鳴とが結合したモード同期現象の1つであると結論づけた。しかし、この結論は、本年2月の最終のだめ押しの発振前の低励起のLD実験でこの現象が見つかっり、さらに外部から光励起された弱励起LDとPDでも見つかり、覆された。また、低電駆動のLDの端子電圧Vが磁場に関した部分dV/dBにも共鳴的な振る舞いが観測された。これらの原因は今のところ不明であるが、この新現象の解明の実験を行っている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】7,100千円 (直接経費: 7,100千円)

【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)

【研究分野】衛生学

【研究領域課題番号】03670271 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

化合物半導体 / ガリウムひ素 / 時間断面研究 / 曝露濃度 / 健康影響 / 生物学的モニタリング / 半導体 / ガリウム砒素

【研究成果の概要】

1.作業環境濃度測定および個人曝露濃度測定による曝露評価:GaAs系半導体ウェハ製造の工程ごとに、ひ素とガリウムの作業環境濃度・個人曝露濃度を測定した。多くの工程で、通常の作業時の曝露レベルは非常に低いレベルであった。しかし、単結晶引き上げ工程の装置清掃作業では、比較的高いレベルのひ素粉塵(elemental As)に曝露していた。また、ウェハ切断作業で、比較的高いレベルのGaAs粉塵に曝露されうる作業があることがわかった。
2.生物学的モニタリングによる曝露評価:ひ素の化学種別分離定量法を用いた尿中ひ素濃度測定、および頭髪中のひ素濃度測定により生物学的モニタリングを実施したところ、ウェハ切断作業者の作業後の尿中無機ひ素濃度が上昇する可能性が示唆された。
3.健康影響評価:血液学的検査、肝機能検査、免疫学的検査、尿中ポルフィリン代謝物濃度測定により、GaAs系半導体ウェハ製造作業従事者の健康影響を評価した。いずれの項目も正常レベルであり、曝露との関連は認められなかった。
4.まとめ:以上の結果から、GaAs系半導体ウェハ製造現場では、一部の作業でひ素あるいはGaAs粉塵への比較的高い曝露があるが、作業に応じて保護具の使用等を実施すれば、健康への影響はコントロール可能である。
5.GaAsは使用が新しく、低濃度長期曝露による健康影響についてはまだ未知であるので、今後もフォローアップが必要である。また、有機溶剤や特殊材料ガス等による健康影響の評価についても検討する必要がある。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)