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窒化物および酸化物半導体の局所電子状態・光学特性に及ぼす弾性場の影響

Publicly Offered Research

Project AreaMaterials Science and Advanced Elecronics created by singularity
Project/Area Number 19H04531
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

木口 賢紀  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70311660)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
KeywordsGaN / InGaN / 貫通転位 / STEM / α-In2O3 / 準安定相 / 転位芯 / 積層欠陥 / In2O3 / 転位 / 歪み / 電子顕微鏡 / Cu3N / 界面構造 / 格子欠陥 / Ga2O3 / 弾性場 / 量子井戸構造 / 電子状態
Outline of Research at the Start

本研究では、第1期公募研究で得られたInGaN単一量子井戸構造成果を発展させて、貫通転位、積層欠陥、ヘテロ界面の不整合歪みなどの結晶の非完全性がもたらす局所弾性場が、電子・光学デバイスの要である量子井戸構造に及ぼす影響を局所構造・電子状態やマクロな形態をマルチスケールで調べると共に、窒化物よりも結晶の非完全性の大きなGa2O3酸化物半導体における特異構造(貫通転位、双晶など)へ上記の研究手法を展開することによって、特異構造に付随した弾性場を活用した窒化物・酸化物半導体新機能発現・新デバイス創製のための「特異構造の結晶科学」の学術的な展開を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

窒化物・酸化物半導体薄膜では、転位など格子欠陥やエピタキシャル成長に伴う残留歪みといった特異構造に付随する周期性や結合状態の乱れやそれらの空間的な分布状態は結晶成長や発光デバイスやパワーエレクトロニクスの性質に大きな影響を及ぼす。本研究では、貫通転位に代表される結晶の非完全性がもたらす局所弾性場が発光デバイスの要である量子井戸構造に及ぼす影響を局所構造・電子状態やマクロな形態をマルチスケールで調べ、非破壊3次元構造解析グループと相補的な立場から特異構造の解明に取り組んだ。
従来、In2O3はBixbyite相が安定相であり、気相法を利用してもサファイア基板上に準安定Corundum相のIn2O3薄膜を直接成長させることができず、バッファ層を必要とした。しかし、ミストCVD法を使って塩酸濃度を最適化することによって、バッファ層なしでもCorundum相単相をエピタキシャル成長することに成功し、収差補正STEM法により薄膜/基板間の半整合界面、ミスフィット転位の構造を原子レベルで明らかにし、結晶成長メカニズムについて検討した。
また、InGaNの結晶成長におけるGaNテンプレート相の極性や低温バッファ層の厚さが、貫通転位の形成機構の違い、N極性で問題となるヒロック構造の形成における貫通転位の影響を収差補正STEM法による平面・断面観察により明らかにした。特に、InGaN/GaN積層構造の平面STEM観察により貫通転位の転位芯構造を原子分解能で解明し、a転位、a+c転位, c転位の構造を明らかにした。
以上の様に、本研究では酸化物・窒化物ワイドギャップ半導体の結晶成長や組織形成に及ぼす転位や界面の構造を明らかにし、結晶成長における役割を検討した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (54 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 4 results) Presentation (39 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] State University of New York(米国)

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    • Author(s)
      Shimizu Takao、Tashiro Yuki、Mimura Takanori、Kiguchi Takanori、Shiraishi Takahisa、Konnno Toyohiko J.、Sakata Osami、Funakubo Hiroshi
    • Journal Title

      physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters

      Volume: on-line Issue: 5 Pages: 2000589-2000589

    • DOI

      10.1002/pssr.202000589

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      KIGUCHI Takanori、SHIMIZU Takumi、SHIRAISHI Takahisa、KONNO Toyohiko J.
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 128 Issue: 8 Pages: 501-511

    • DOI

      10.2109/jcersj2.20027

    • NAID

      130007884008

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • Year and Date
      2020-08-01
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      SHIMIZU Takumi、KIGUCHI Takanori、SHIRAISHI Takahisa、KONNO Toyohiko J.
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 128 Issue: 8 Pages: 492-500

    • DOI

      10.2109/jcersj2.20028

    • NAID

      130007884009

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • Year and Date
      2020-08-01
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      T. Yamaguchi, S. Takahashi, T. Kiguchi, A. Sekiguchi, K. Kaneko, S. Fujita, H. Nagai, M. Sato, T. Onuma, and T. Honda
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 13 Issue: 7 Pages: 0755041-4

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab9a90

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      T. Yamaguchi, H. Nagai, T. Kiguchi, N. Wakabayashi, T. Igawa, T. Hitora, T. Onuma, T. Honda, and M. Sato
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      Applied Physics Express

      Volume: 13 Issue: 7 Pages: 0755051-5

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      10.35848/1882-0786/ab9a8f

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      Volume: 128 Issue: 4 Pages: 044102-044102

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      Takahisa Shiraishi, Yuta Muto, Yoshiharu Ito, Takanori Kiguchi, Kazuhisa Sato, Masahiko Njishijima, Hidehiro Yasuda, Hiroshi Funakubo, Toyohiko J. Konno
    • Journal Title

      Journal of Materials Science

      Volume: 55 Issue: 21 Pages: 8829-8842

    • DOI

      10.1007/s10853-020-04663-x

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    • Author(s)
      Matsuo Hiroki、Noguchi Yuji、Miyayama Masaru、Kiguchi Takanori、Konno Toyohiko J.
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 116 Issue: 13 Pages: 132901-132901

    • DOI

      10.1063/1.5142880

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    • Author(s)
      Hamasaki Yosuke、Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Shiraishi Takahisa、Akama Akihiro、Kiguchi Takanori、Taniyama Tomoyasu、Itoh Mitsuru
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry C

      Volume: 8 Issue: 13 Pages: 4447-4452

    • DOI

      10.1039/c9tc07006k

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      Kiguchi Takanori、Kodama Yumiko、Shimizu Takumi、Shiraishi Takahisa、Wakiya Naoki、Konno Toyohiko J.
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Issue: SL Pages: SLLA08-SLLA08

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab3b13

    • NAID

      210000156954

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    • Author(s)
      Chuang Lu-Chung、Kiguchi Takanori、Kodama Yumiko、Maeda Kensaku、Shiga Keiji、Morito Haruhiko、Fujiwara Kozo
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 172 Pages: 105-109

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2019.07.018

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  • [Journal Article] Formation of the orthorhombic phase in CeO2-HfO2 solid solution epitaxial thin films and their ferroelectric properties2019

    • Author(s)
      Shiraishi T.、Choi S.、Kiguchi T.、Shimizu T.、Funakubo H.、Konno T. J.
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      Applied Physics Letters

      Volume: 114 Issue: 23 Pages: 232902-232902

    • DOI

      10.1063/1.5097980

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  • [Journal Article] Short range biaxial strain relief mechanism within epitaxially grown BiFeO32019

    • Author(s)
      Bae In-Tae、Yasui Shintaro、Ichinose Tomohiro、Itoh Mitsuru、Shiraishi Takahisa、Kiguchi Takanori、Naganuma Hiroshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1038/s41598-019-42998-x

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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    • Organizer
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    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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      第68回応用物理学会春季学術講演会
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    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growthand Crystal Technology(CGCT-8)
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      T. Yamaguchi, T. Nagata, S. Takahashi, T. Kiguchi, A. Sekiguchi, T. Onuma, T. Honda, K. Goto, Y. Kumagai, K. Kaneko, S. Fujita
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      横山晴香, 山口智広, 佐々木拓生, 大野颯一朗, 木口賢紀, 比留川大輝, 藤川誠司, 高橋正光, 尾沼猛儀, 本田徹
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Interface structure in multiferroic YMnO3-type ScFeO3 film on perovskite electrode2019

    • Author(s)
      Yosuke Hamasaki, Shintaro Yasui, Takahisa Shiraishi, Akihiro Akama, Takanori Kiguchi, Tomoyasu Taniyama, Mitsuru Ito
    • Organizer
      13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanodomain Structure of Ferroelectric HfO2-Based Epitaxial Thin Films2019

    • Author(s)
      Takanori Kiguchi, Takahisa Shiraishi, Takanori Mimura, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo, Toyohiko J. Konno
    • Organizer
      13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] PZT薄膜における組成相境界近傍の ドメイン構造に及ぼす弾性場の影響2019

    • Author(s)
      清水 匠, 木口 賢紀, 白石 貴久, 今野 豊彦
    • Organizer
      第80回応用物理学会 秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 電子エネルギー損失分光法によるPZT薄膜の結合状態の分析2019

    • Author(s)
      木口 賢紀, 清水 匠, 粟飯原 雅矢, 白石 貴久, 今野 豊彦
    • Organizer
      第80回応用物理学会 秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] ヘテロエピタキシャルYMnO3型ScFeO3薄膜の界面構造2019

    • Author(s)
      浜嵜 容丞, 安井 伸太郎, 白石 貴久, 赤間 章裕, 木口 賢紀, 谷山 智康, 伊藤 満
    • Organizer
      第80回応用物理学会 秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Short range biaxial strain relief mechanism within epitaxially grown BiFeO32019

    • Author(s)
      In-Tae Bae, 安井 伸太郎, 一ノ瀬 智浩, 伊藤 満, 白石 貴久, 木口 賢紀, 永沼 博
    • Organizer
      第80回応用物理学会 秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Nanostructure Analyses of Hafnia-Based Ferroelectric Thin Films by Aberration-Corrected Electron Microscopy2019

    • Author(s)
      T. Kiguchi, T. Shiraishi, T. Mimura, T. Shimizu, H. Funakubo, T.J. Konno
    • Organizer
      The 10th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM10)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 強誘電体HfO2基薄膜の結晶相形成に与える熱処 理温度の影響2019

    • Author(s)
      白石 貴久, Choi Sujin, 木口 賢紀, 今野 豊彦
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第75回学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] STEM-EELS法によるHfO2薄膜の結晶相・配向性の評価2019

    • Author(s)
      木口 賢紀, 白石 貴久, 三村 和仙, 清水 荘雄, 舟窪 浩, 今野 豊彦
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第75回学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] PbTiO3薄膜の界面急峻性に及ぼす導電性SrTiO3 基板の影響2019

    • Author(s)
      木口 賢紀, 清水 匠, 白石 貴久, 今野 豊彦
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第75回学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] PZTエピタキシャル薄膜の組成相境界近傍の微細構造2019

    • Author(s)
      木口 賢紀, 清水 匠, 白石 貴久, 今野 豊彦
    • Organizer
      第36回強誘電体応用会議 (FMA36)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Book] エレクトロニクス用セラミックスの応用、開発と評価手法, 第12章 セラミックスの特性評価手法、状態観察手法、第4節 電子セラミックスの微細組織,組成,電子状態の評価2020

    • Author(s)
      木口賢紀(共著)
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861047985
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2021-12-27  

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