バンド軌道制御によるシリサイド半導体の光学機能創出

• 研究課題/領域番号: 18H01477
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21050:電気電子材料工学関連
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 寺井 慶和 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (90360049)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2019年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2018年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
• キーワード: シリサイド半導体 / 鉄シリサイド / 電子構造制御 / バンド軌道制御 / 光学機能の創出

研究成果の概要

光通信波長帯1.5 umで発光・受光機能を示す新規光材料である鉄シリサイド半導体(β-FeSi2)を研究対象とし，その発光機能の向上を目的に第3元素添加による電子構造制御に関する研究を実施した．その結果，Feの一部を同族元素のRuで置換したβ-(Fe1-xRux)Si2の作製に成功し，x=0.57までの高濃度Ru添加が可能であることを見いだした．そして，Ru添加により目的とした電子構造変化を誘起し，1.5 um発光強度が増大することをはじめて明らかにした．

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在の光ファイバー光通信で用いられる波長1.5 um帯の半導体レーザーは希少金属や有害物質を含有した材料で作製されている．本研究では，地球上に豊富に存在し，人体に無害な元素で構成される新規光半導体の光通信応用を念頭に，既存機能の代替だけでなく，新機能発現のための学術研究を実施した．従来物質と大きく異なる電子構造をシリサイド半導体は有しており，本研究では，その電子構造を第3元素添加により制御可能であることを見いだした学術的意義がある．

研究成果

• [国際共同研究] Automation and Control Processes/Far Eastern Branch/Russian Academy of Sciences(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Institute of/Automation and Control Processes/FEB, RAS(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Institute of/Automation and Control Processes/FEB, RAS(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Photoreflectance spectra of highly-oriented Mg2Si(111)//Si(111) films (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Terai, H. Hoshida, R. Kinoshita, A. Shevlyagin, I. Chernev and A. Gouralnik
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics : Conference Proceedings 巻: 8 ページ: 011004-011004
  • DOI: 10.7567/jjapcp.8.011004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Probing the Mg2Si/Si(111) heterojunction for photovoltaic applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Alexander Shevlyagin, Igor Chernev, Nikolay Galkin, Andrey Gerasimenko, Anton Gutakovskii, Hirofumi Hoshida, Yoshikazu Terai, Naofumi Nishikawa, Keisuke Ohdaira
  • 雑誌名: Solar Energy 巻: 211 ページ: 383-395
  • DOI: 10.1016/j.solener.2020.09.085
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoluminescence properties of polycrystalline β-FeSi2 grown by RF magnetron sputtering (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Terai, Hiroki Nishi and Naohiro Oka
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SF ページ: SFFC01-SFFC01
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab656e
  • NAID: 210000157901
  • 査読あり
• [雑誌論文] Significant enhancement of photoresponsivity in As-doped n-BaSi2 epitaxial films by atomic hydrogen passivation (2020)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Yudai Yamashita, Takuma Sato, Zhihao Xu, Kazuhiro Gotoh , Kaoru Toko , Yoshikazu Terai, Noritaka Usami, and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 号: 5 ページ: 051001-051001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab8725
  • NAID: 120007127620
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of defect levels in BaSi2 epitaxial films by photoluminescence and the effect of atomic hydrogen passivation (2019)
  • 著者名/発表者名: Benincasa Louise、Hoshida Hirofumi、Deng Tianguo、Sato Takuma、Xu Zhihao、Toko Kaoru、Terai Yoshikazu、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Journal of Physics Communications 巻: 3 号: 7 ページ: 075005-075005
  • DOI: 10.1088/2399-6528/ab2fa1
  • NAID: 120007133014
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized Raman spectra of β-FeSi2 epitaxial film grown by molecular beam epitaxy (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Terai, Haruki Yamaguchi, Hiroaki Tsukamoto, Naoki Murakoso, and Hirofumi Hoshida
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 号: 10
  • DOI: 10.1063/1.5042801
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of local vibrational modes induced by intrinsic defects in undoped BaSi2 light absorber layers using Raman spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuma Sato, Hirofumi Hoshida, Ryota Takabe, Kaoru Toko, Yoshikazu Terai, and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 124 号: 2 ページ: 025301-025301
  • DOI: 10.1063/1.5029320
  • NAID: 120007134086
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of Ru2Si3 Polycrystalline Thin Films by Solid Phase Epitaxy in Ru-Si Amorphous Layers (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenta Setojima, Shuya Ikeda, Kazuya Ogi and Yoshikazu Terai
  • 雑誌名: Defect and Diffusion Forum 巻: 386 ページ: 33-37
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/ddf.386.33
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of Sb-Doped β-FeSi2 Epitaxial Films and Optimization of Donor Activation Conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: Hajime Eguchi, Motoki Iinuma, Hirofumi Hoshida, Naoki Murakoso and Yoshikazu Terai
  • 雑誌名: Defect and Diffusion Forum 巻: 386 ページ: 38-42
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/ddf.386.38
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of Vibrational Modes in BaSi₂ Epitaxial Films by Infrared and Raman Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Hoshida Hirofumi、Murakoso Naoki、Suemasu Takashi、Terai Yoshikazu
  • 雑誌名: Defect and Diffusion Forum 巻: 386 ページ: 43-47
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/ddf.386.43
  • 査読あり
• [学会発表] β-(Fe1-xRux)Si2多結晶薄膜の作製と発光特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉原 怜，西 大樹，寺井慶和
  • 学会等名: 2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] n-Ru2Si3/p-Siヘテロ接合における光応答特性の評価（II） (2020)
  • 著者名/発表者名: 西 大樹，寺井慶和
  • 学会等名: 2020年 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] スパッタリング法によるβ-Fe1-xRuxSi2多結晶薄膜の作製 (2020)
  • 著者名/発表者名: 篠村 太輔，西 大樹，寺井 慶和
  • 学会等名: 2020年 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] β-FeSi2 pnホモ型接合素子の作製と分光感度評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下涼太, 山戸一輝, 寺井慶和
  • 学会等名: 2020年度 応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] Photoresponse spectra of n-Ru2Si3/p-Si hetero-junction grown by solid phase epitaxy (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Nishi and Yoshikazu Terai
  • 学会等名: 8th International Symposium on Applied Engineering and Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] β-FeSi2 pnホモ接合素子の作製と光応答特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下涼太，山戸一輝，寺井慶和
  • 学会等名: 2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Dependence of electrical conduction properties on activation conditions in Sb-doped β-FeSi2 epitaxial films (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuki Abe, Hajime Eguchi, Hirofumi Hoshida and Yoshikazu Terai
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Green Technology with Silicides and Related Materials (APAC-SILICIDE 2019), July 20, 2019, Miyazaki, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Photoluminescence properties of polycrystalline β-FeSi2 grown by RF magnetron sputtering (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Nishi, Naohiro Oka and Yoshikazu Terai
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Green Technology with Silicides and Related Materials (APAC-SILICIDE 2019), July 20, 2019, Miyazaki, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Photoreflectance spectra of highly-oriented Mg2Si(111)//Si(111) films (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Kinoshita, H. Hoshida, A. Shevlyagin, I. Chernev, A. Gouralnik, and Y. Terai
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Green Technology with Silicides and Related Materials (APAC-SILICIDE 2019), July 20, 2019, Miyazaki, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] n-Ru2Si3/p-Si pn接合素子の作製と光応答特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西 大樹，瀬戸島 健太，寺井慶和
  • 学会等名: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Sb添加β-FeSi2エピタキシャル膜におけるSi/Fe組成比の最適化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木下涼太，阿部光希，江口元，寺井慶和
  • 学会等名: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 固相成長法により作製したRu2Si3多結晶薄膜の光学特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西 大樹，瀬戸島 健太，寺井 慶和
  • 学会等名: 第11回半導体材料・デバイスフォーラム
• [学会発表] n-Ru2Si3/p-Si pn接合素子における光応答特性の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西 大樹，寺井慶和
  • 学会等名: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 固相成長β-FeSi2ナノ結晶の発光寿命評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 阿部光希，N. G. Galkin，寺井慶和
  • 学会等名: 第18回シリサイド系半導体・夏の学校
• [学会発表] B添加β-FeSi2/Si多結晶積層構造における1.5 μm発光の基板依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田 修哉，岡 直大, 寺井 慶和
  • 学会等名: 第18回シリサイド系半導体・夏の学校
• [学会発表] BaSi2エピタキシャル膜における光変調反射率スペクトルのBa/Siフラックス比依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 星田裕文，末益 崇，寺井慶和
  • 学会等名: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Investigation of defect levels in undoped-BaSi2 epitaxial films by PL measurement (2018)
  • 著者名/発表者名: L. Benincasa, H. Hoshida, T. Deng, M. Sato, K. Toko, Y. Terai, and T. Suemasu
  • 学会等名: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Identification of Raman vibrational modes in BaSi2 epitaxial film by depolarization ratio (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Hirofumi, N. Murakoso, T. Suemasu, Y. Terai
  • 学会等名: Fourth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials
• [学会発表] Growth of Sb-doped β-FeSi2 epitaxial films and optimization of donor activation conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: Hajime Eguchi, Motoki Iinuma, Hirofumi Hoshida, Naoki Murakoso and Yoshikazu Terai
  • 学会等名: Fourth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials
• [学会発表] Growth of Ru2Si3 polycrystalline thin films by solid phase epitaxy in Ru-Si amorphous layers (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Setojima, S. Ikeda, K. Ogi, N. Oka, Y. Terai
  • 学会等名: Fourth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials
• [学会発表] 偏光ラマン測定を用いたBaSi2エピタキシャル膜の分子振動評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 星田裕文，末益 崇，寺井慶和
  • 学会等名: 第10回半導体材料・デバイスフォーラム
• [学会発表] Sb添加β-FeSi2エピタキシャル膜の作製とドナー活性化条件の最適化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 江口 元，飯沼 元輝，星田 裕文，村社 尚紀，寺井 慶和
  • 学会等名: 第10回半導体材料・デバイスフォーラム
• [学会発表] Sb添加β-FeSi2エピタキシャル膜におけるSb置換サイトの検証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 阿部光希，江口元，星田裕文，寺井慶和
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] Si/B添加β-FeSi2/Si多重積層構造における発光スペクトル評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡 直大，瀬戸島 健太，寺井 慶和
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] Si/B添加β-FeSi2/Si積層構造における1.5 μm発光の活性層厚依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡 直大，佐藤隆治，寺井慶和
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Sb添加β-FeSi2エピタキシャル膜におけるドナー活性化条件の最適化(II) (2018)
  • 著者名/発表者名: 江口 元，阿部光希，木下涼太，村上智樹，寺井慶和
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Study of the origin of defect levels in undoped-BaSi2 epitaxial films by PL measurement (2018)
  • 著者名/発表者名: L. Benincasa, H. Hoshida, T. Deng, T. Sato, K. Toko, Y. Terai, and T. Suemasu
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Mg2Si(111)//Si(111)高配向膜における光変調反射率スペクトルの評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 星田裕文, S. Alexander, I. Chernev, N.G. Galkin, 寺井慶和
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [備考] 九州工業大学 研究者情報
  • URL: https://hyokadb02.jimu.kyutech.ac.jp/html/100000800_ja.html
• [備考] 九州工業大学研究者詳細
  • URL: https://research02.jimu.kyutech.ac.jp/html/100000800_ja.html
• [備考] 九州工業大学寺井研究室
  • URL: http://brave.cse.kyutech.ac.jp/