Growth of high-quality alloy semiconductor bulk crystals based on experimental results in space

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02491
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: INATOMI Yuko 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50249934)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鵜殿 治彦 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (10282279) ; 岡野 泰則 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (90204007) ; VELU NIRMALKUMAR 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 宇宙航空プロジェクト研究員 (60804482)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: InGaSb結晶 / 外力場印加 / その場観察 / 試料の詳細分析 / 数値シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

A method for growing high-quality InGaSb crystals was investigated through a combination of A) crystal growth by applying an external force field, B) in-situ observation of the crystal growth process, C) detailed analysis of samples obtained from space and ground experiments, and D) large-scale numerical simulation of the crystal growth process. As a result, the following results were obtained. (1) Upgrading of the vertical gradient freezing method by applying a strong magnetic field. (2) Achievement of the highest thermoelectric figure of merit in III-V semiconductors. (3) Discovery of the concentration dependence of the diffusion coefficient of GaSb in InSb melt. (4) Suggestion of the possibility of crystal quality improvement by applying numerical calculations and optimization strategies.

Free Research Field

金属生産および資源生産関連

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

宇宙実験および地上実験の試料の分析、大規模数値計算、外力場印加による結晶成長条件の制御によって、従来では困難とされてきた高品質InGaSb結晶の育成を地上で実現する道筋を作った。この技術開発は、熱光起電システムを中心とした再生エネルギー利用に資する新たなデバイス製造技術の促進に貢献する。また、半導体融液における拡散係数の濃度依存性の発見は、その分子レベルでの物理的な説明の可能性を探るという新たな学術的課題を提供した。そして、適応制御の方策は、他の結晶成長プロセスの連続的かつ迅速な最適化に大きな可能性を持つことを示した。