分極制御による可視光応答・高耐久性窒化物半導体人工光合成デバイス

• 研究課題/領域番号: 15H02238
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 杉山 正和 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90323534)
• 研究分担者: 藤井 克司 北九州市立大学, 付置研究所, 教授 (80444016)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 44,720千円 (直接経費: 34,400千円、間接経費: 10,320千円); 2017年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2016年度: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2015年度: 20,020千円 (直接経費: 15,400千円、間接経費: 4,620千円)
• キーワード: 光触媒 / 化合物半導体 / 分極制御 / 有機金属気相成長 / 再生可能エネルギー / 半導体 / 結晶成長 / 光電気化学 / 窒化ガリウム / 表面構造 / フェルミエネルギー / GaN / エピタキシャル成長 / 分極

研究成果の概要

AlN極薄層を用いた分極制御トンネル接合を用い，n型窒化物エピタキシャル結晶（GaNおよびInGaN）を光吸収層とする光カソード電極の作製と動作実証に成功した．デバイスシミュレーションに設計したAlNトンネル接合を得るため，低温成長やガス切り替えシーケンスの最適化などエピタキシャル成長における新手法を開発した．さらに，PtによりGaN表面修飾により，外部電位を用いない光水分解による水素生成を達成した．

研究成果

• [雑誌論文] Effects of hydrogen etching on stress control in AlN interlayer inserted GaN MOVPE on Si (2017)
  • 著者名/発表者名: Liu Cai、Kumamoto Akihito、Suzuki Michihiro、Wang Hongbo、Sodabanlu Hassanet、Sugiyama Masakazu、Nakano Yoshiaki
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 巻: 32 号: 7 ページ: 075003-075003
  • DOI: 10.1088/1361-6641/aa6b86
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved luminescence from InGaN/GaN MQWs by reducing initial nucleation density using sputtered AlN on sapphire substrate (2017)
  • 著者名/発表者名: Wang Hongbo、Sodabanlu Hassanet、Daigo Yoshiaki、Seino Takuya、Nakagawa Takashi、Sugiyama Masakazu
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 465 ページ: 12-17
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2017.02.034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-temperature growth of AlN and GaN by metal organic vapor phase epitaxy for polarization engineered water splitting photocathode (2017)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Nakamura, Michihiro Suzuki, Katsushi Fujii, Yoshiaki Nakano, Masakazu Sugiyama
  • 雑誌名: J. Crystal Growth 巻: 464 ページ: 180-184
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.12.005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mechanism of stress control for GaN growth on Si using AlN interlayers (2017)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Suzuki, Akihiro Nakamura, Yoshiaki Nakano, Masakazu Sugiyama
  • 雑誌名: J. Crystal Growth 巻: 464 ページ: 148-152
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.12.090
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoelectrochemical Property Differences between NiO Dots and Layer on n-Type GaN for Water Splitting (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Koike, K. Yamamoto, S. Ohara, M. Sugiyama, Y. Nakano, K. Fujii
  • 雑誌名: J. Electrochemical Soc. 巻: 42 号: 13 ページ: 9493-9499
  • DOI: 10.1149/2.1191613jes
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 24.4% solar to hydrogen energy conversion efficiency by combining concentrator photovoltaic modules and electrochemical cells (2015)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Nakamura, Yasuyuki Ota, Kayo Koike, Yoshihide Hidaka, Kensuke Nishioka, Masakazu Sugiyama, Katsushi Fujii
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 号: 10 ページ: 107101-107101
  • DOI: 10.7567/apex.8.107101
  • NAID: 210000137684
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Band Alignment at n-GaN/Electrolyte Interface Explored by Photo-Induced Offset of Open-Circuit Potential for Efficient Water Splitting (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Imazeki, Yohei Iwai, Akihiro Nakamura, Kayo Koike, Shin-ichiro Sato, Takeshi Ohshima, Katsushi Fujii, Masakazu Sugiyama and Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: ECS Trans. 2017 volume 77, issue 4, 25-30, doi: 10.1149/07704.0025ecst
  • 国際学会
• [学会発表] Photo-Induced Gain of Open-Circuit-Potential (OCP) in GaN Photoelectrodes for Characterizing Defects and Photoelectrochemical Activity (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Imazeki, Y. Iwai, A. Nakamura, K. Koike, K. Watanabe, K. Fujii , M. Sugiyama and Y. Nakano
  • 学会等名: MRS Spring Meeting, ES7.9.03
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization engineered photocathode using InGaN/AlN heterostructure for zero-bias solar water splitting (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, H. Maruyama, Y. Nakano, K. Fujii, M. Sugiyama
  • 学会等名: Material and Device Innovations for the Practical Implementation of Solar Fuels (SolarFuel17), Sep 4-6, Barcelona, 2017, SF1.4.1-7
  • 国際学会
• [学会発表] Pt co-catalyst by photo-electrodeposition on tandem nitride semiconductor photocathode for zero-bias solar water splitting (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Maruyama, A. Nakamura, Y. Nakano, K. Fujii, M. Sugiyama
  • 学会等名: Material and Device Innovations for the Practical Implementation of Solar Fuels (SolarFuel17), Sep 4-6, Barcelona, 2017, SF1.4.2-5
  • 国際学会
• [学会発表] Visible Light Responding InGaN/AlN/GaN Polarization Engineered Water Splitting Photocathode (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, K. Fujii, Y. Nakano and M. Sugiyama
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016)
  • 発表場所: Orlando, Florida, USA
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] GaN における Open-Circuit-Potential (OCP) の光強度依存 性と表面処理の効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩井耀平, 中村亮裕, 小池佳代, 中野義昭, 藤井克司, 杉山正和
  • 学会等名: 第 77 回応用物理 学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] InGaN/GaN/AlN/GaN可視光応答型水分解光電極 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村亮裕, 杉山正和, 藤井克司, 中野義昭
  • 学会等名: 第 77 回応用物理 学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Impact of surface modification on photo-induced Open-Circuit-Potential (OCP) of GaN anode (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Iwai, A. Nakamura, K. Koike, Y. Nakano, K. Fujii, and M. Sugiyama
  • 学会等名: 21st International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Saint Petersburg, Russia
  • 年月日: 2016-07-25
  • 国際学会
• [学会発表] Superior Catalytic Activity of NiO Island on n-type GaN Photoanode Compared with NiO Protection Layer Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Koike, A. Nakamura, K. Yamamoto, S. Ohara, M. Sugiyama, Y. Nakano, and K. Fujii
  • 学会等名: 21st International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Saint Petersburg, Russia
  • 年月日: 2016-07-25
  • 国際学会
• [学会発表] Low-Temperature Growth of Al(Ga)N/GaN Tunnel Junction with Abrupt Interfaces and Low Dislocation Density for Polarization Engineered Water Splitting Photocathode (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, M. Suzuki, K. Fujii, Y. Nakano, and M. Sugiyama
  • 学会等名: 18th International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-07-10
  • 国際学会
• [学会発表] echanism of Stress Control for GaN Growth on Si Using AlN Interlayers (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Suzuki, A. Nakamura, Y. Nakano, and M. Sugiyama
  • 学会等名: 18th International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-07-10
  • 国際学会
• [学会発表] InGaN/AlGaN/GaN Polarization Engineered Water Splitting Photocathode under Visible Light Irradiation (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村亮裕, 藤井克司, 中野義昭, 杉山正和
  • 学会等名: 第 35 回電子材料シンポジウム
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県・守山市）
  • 年月日: 2016-07-06
• [学会発表] GaN キャップ層導入による低温成長 AlN 層の高品質化および水分解光電極の 特性向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村亮裕, 藤井克司, 中野義昭, 杉山正和
  • 学会等名: 第 8 回窒化物半導体結晶成長講演会
  • 発表場所: 京都大学（京都府・京都市）
  • 年月日: 2016-05-09
• [学会発表] Mechanism of stress control for GaN growth on Si using AlN interlayers (2015)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Suzuki, Akihiro Nakamura, Masakazu Sugiyama and Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-6)
  • 発表場所: Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-11-08
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced photoelectrochemical properties of u-GaN/AlN/n-GaN photocathode with improved GaN/AlN interface abruptness (2015)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Nakamura, Michihiro Suzuki, Katsushi Fujii, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-6)
  • 発表場所: Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-11-08
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Investigation on a Novel +c-Plane InGaN Based Solar Cell with a Polarization Induced Tunnel Junction (2015)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Nakamura, Katsushi Fujii, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano
  • 学会等名: 11th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-11)
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 2015-08-31
  • 国際学会