2012 Fiscal Year Annual Research Report
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23221007
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
福井 孝志 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (30240641)
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| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 2016-03-31
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| Keywords | 半導体ナノワイヤ / 発光ダイオード / 太陽電池 |
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| Research Abstract |
１．結晶成長：異種基板上の半導体ナノワイヤ成長として、23年度から開始したガラス基板上へのLEDを支える基礎技術としてのポリシリコン上のIII-V半導体ナノワイヤの成長方向（垂直）制御、均一性向上の技術を確立した。また、ナノワイヤのフレキシブルデバイス応用のための技術として、これまでの実験で基板の選択成長用開口径を小さくすることでワイヤアレイが部分的ではあるが剥離できることが確認した。
２．発光素子応用：マルチカラーLEDの試作を目的に、GaP系のナノワイヤ選択成長技術の改良を進めた。GaPは結晶構造がセン亜鉛鉱からウルツ鉱に変わることで発光素子に適した直接遷移型半導体となる。これまでにウルツ鉱型の得られるInPナノワイヤをコアとして、側壁にウルツ鉱型GaPシェル層を成長させることができた。発光特性などの評価を今後すすめる。
３．ナノワイヤ太陽電池：効率的に電子・正孔を分離できるコアシェルpn接合型太陽電池の作製と評価を進めた。InP系では、AlInPパッシベーション層の効果により内部量子効率が大幅に改善されるとともに、エネルギー変換効率も3.54%から6.35%に向上することが明らかとなった。さらに、将来のタンデム構造を目指してGaAs系でもコアシェルナノワイヤ太陽電池を試作した。同様にInGaP3元混晶層をパッシベーション層に用いることで4.01%のエネルギー変換効率が得られた。
４．ナノワイヤトランジスタ：光デバイスと関連する研究としてトランジスタの研究も併せて進めた。InAs縦型サラウンディングゲートトランジスタをシリコン基板上に作製し、高効率のトランジスタが得られた。結果はNature8月号に掲載された。
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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
結晶成長技術については当初の計画通りナノワイヤ成長用基板として、高価なIII-V族半導体以外に、より安価なシリコン単結晶、グラフェンまたはグラファイト薄膜とガラス基板上への成長を試みた。前年度までにシリコン上へのナノワイヤ成長技術は概ね確立できたが、グラフェンについても2次元格子として見たときの整合性の良いInAsナノワイヤのファンデルワールス力による成長とその解析を進めた。さらに、ガラス基板上へのLEDを支える基礎技術としてのポリシリコン上のIII-V半導体ナノワイヤの成長方向（垂直）制御、均一性向上の技術を確立するなど、当初予定以上の成果が得られている。
発光素子応用では、当初予定の赤だけではなくRGB三原色の発光が可能なGaP系に着目した研究を開始した。その理由は最近の理論計算でGaPの本来の結晶構造をナノワイヤ固有に現れるウルツ鉱型に変えることで直接遷移型、すなわち発光素子に適した材料に変わるという報告が出され、我々も特殊な条件下でウルツ鉱構造を得ることができ、電子顕微鏡でその構造を確認できた。従って十分な成果が得られている。
ナノワイヤ太陽電池については前年に続き太陽エネルギー変換効率の向上に努めるとともにそのメカニズムの解明を進めた。表面再結合を減らす役割をするパッシベーション層としてInPナノワイヤではAlInP、GaAsなのワイヤではInGaPという最適な混晶材料を見出ストともに変換効率も大幅に向上するなど、ほぼ順調に計画通りの進展が得られている。
これらの技術の応用としてInAs縦型サラウンディングゲートトランジスタをシリコン基板上に作製し、高効率のトランジスタが得られたことなど、部分的には当初の予定以上の進展も見せている。
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| Strategy for Future Research Activity |
結晶成長では、引き続き異種基板上のナノワイヤ成長の展開を進める。フレキシブルデバイス応用のための成長技術として、ナノワイヤ構造を基板から剥離し、より柔軟性のある基板に貼り付けることが出来るとフレキシブルデバイス作製技術の確立をはかる。
次に発光素子応用では、GaPの結晶構造をウルツ鉱型に変える技術として、既にウルツ鉱型が得られているInPなのワイヤをコアとしてGaInP、AlGaPなどを横方向成長技術によりシェル層とする結晶成長技術を確立する。また横方向量子井戸構造の作製により、主に可視光域の波長可変の発光素子を作製する。
ナノワイヤ太陽電池の研究では、これまでのコアシェルpn接合構造から、縦方向pn接合構造に変えることで、将来的にタンデム型（多層構造）のナノワイヤ太陽電池を目指す。この構造では、より幅広く太陽光波長を吸収できることから、超高効率が予測されている。
またナノワイヤの応用を光デバイスに限定せずに、縦型FET及びトンネルFETなどの構造を挟ギャップ半導体であるInAsなのワイヤを用いるとともにシリコン基板上に作製する。
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[Presentation] Compound Semiconductor Nanowire Solar Cells2012
Author(s)
Takashi Fukui, Keitaro Ikejiri, Masatoshi Yoshimura, Eiji Nakai and Katsuhiro Tomioka
Organizer
the 1st International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN)
Place of Presentation
The University of Queensland(Australia)
Year and Date
20121022-20121025
Invited
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[Presentation] Compound Semiconductor Nanowire Solar Cells2012
Author(s)
Takashi Fukui, Masatoshi Yoshimura, Eiji Nakai and Katsuhiro Tomioka
Organizer
The 16th International Conference on Metal- Organic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-XVI),
Place of Presentation
Paradise Hotel Busan(KOREA)
Year and Date
20120520-20120525
Invited
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