2020 Fiscal Year Research-status Report
Bond engineering for quantum dot formation in nitride semiconductors
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19K05268
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
伊藤 智徳 三重大学, 工学研究科, 招へい教授 (80314136)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋山 亨 三重大学, 工学研究科, 准教授 (40362363)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子ドット形成機構 / 窒化物半導体 / 計算機シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度はInGaN/GaN系におけるひずみ緩和機構(格子不整合転位形成および量子ドット形成)ならびに成長様式(2次元転位成長および3次元島成長)に関する検討を行った。具体的には、原子間ポテンシャルを用いた大規模計算により、GaN(0001)基板上のInxGa1-xN薄膜（濃度x=0.25, 0.5, 0.75）の格子不整合転位芯構造として5-7員環で構成される構造が安定になることを明らかにするとともに、その転位形成エネルギーEdを評価した。また、第一原理計算に基づく表面エネルギー計算手法により、表面再構成を考慮した量子ドットを構成する(0001)表面および(10-13)ファセット表面の表面エネルギーγを算出した。計算結果から、γの成長雰囲気依存性が(0001)表面では大きいこと、 一方(10-13)ファセット表面では小さいことを明らかにするとともに、その結果としてN過剰条件下では(10-13)表面のγが(0001)表面のγよりも小さくなる一 方、III族過剰条件下では逆の傾向になることを見いだした。さらに、これらの計算結果に基づいてGaN基板上でのInGaN薄膜における成長様式を、転位形成エネルギー Ed、表面エネルギーγを用いた自由エネルギー表式により評価した。計算結果は、N過剰条件下では(10-13)面ファセットを持つ3次元(量子ドット)転位成長となるのに対し、III族過剰条件下では(0001)表面が安定化した2次元転位成長となることを示唆しており、分子線エピタキシャル成長による実験結果とも定性的に一致した。またマクロ理論に基づいて解析的に導出した成長様式境界から、格子不整合度（濃度x）の増加にともない、3次元転位成長が促進される傾向にあることを明らかにし、実験結果との一致を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の検討課題としていたInGaN/GaN系におけるひずみ緩和機構ならびに成長様式について、成長雰囲気依存性と支配因子を見出して一定の成果を収めている。また本計算手法により、成長雰囲気依存性に加えて格子不整合度依存性も明確に取り扱うことができることを見出したことから、2021年度に予定している量子ドット形成機構の解明に向けた準備を整えることができた。以上の研究成果から、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、これまでのAlN/GaN系、InGaN/GaN系に関する研究成果に基づいて、量子ドット形成機構の解明へと研究を展開する。具体的には、量子ドット形成の成長雰囲気依存性、格子不整合度依存性に関する結果を成長様式境界に注目して系統的に整理し、主要な支配因子を抽出する。さらに従来明らかにされているInAs/GaAs系を始めとする他の半導体格子不整合系における成長様式の結果をも加えて、マクロ因子としての界面ひずみ、ナノ因子としての表面再構成、界面格子不整合転位と量子ドット形成との関係を包括的に解釈し、量子ドット形成に向けた処方箋を提示する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス感染拡大に伴い、成果発表を予定していた国内外の会議が相次いで中止、オンライン開催となったため、旅費において次年度使用額が生じた。次年度秋以降の成果発表において旅費として使用する予定である。
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