超並列光・電子集積回路の基本機能の実現

• 研究課題/領域番号: 20360158
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 古川 雄三 豊橋技術科学大学, 工学部, 准教授 (20324486)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2010
• 研究課題ステータス: 完了 (2010年度)
• 配分額: 18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円); 2010年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2009年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2008年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: III-V-N混晶 / Si / 光・電子集積回路(OEIC) / MBE / キャリア濃度低減化 / 歪量子井戸構造 / 量子ドット構造 / モノリシックOEIC / OMVPE / GaAsN / GaPN

研究概要

昨年度実現したSi層の低キャリア濃度化成長技術を用いて、Si/III-V-N/Si構造を形成し、実際にMOSトランジスタなどを形成した。その結果、閾値電圧が約1V低減した。これにより、Si成長層への回路形成の見通しを得た。加えて、Si基板上のGaP層の成長技術をあらためて見直し、原料供給シーケンスの改善と熱処理技術を導入した。その結果、商用GaP基板と同様の1×10^5cm^<-2>程度の低欠陥密度のGaP/Si基板が得られ、高品質化の飛躍的向上を実現した。
一方、直接遷移型III-V-N混晶(GaAsN,GaAsPN)を用いた量子構造による発光効率の向上をはかり、Mgドーピングによる発光特性の向上を確認した。さらに、有機金属気相成長法(OMVPE)法によるNのデルタドーピングにより、GaPNとGaPの多重構造を作製し、発光特性を得ることができた。また、InGaAsN量子ドットを形成することに成功し、発光デバイスの高効率化に向けた知見を得た。
III-V-N混晶を用いた微細LEDのプロセス開発を進めるにあたり、光取り出し効率を向上させるためのITO透明電極の利用を図った。n-GaPとITOを直接接合すると、界面にGaPの酸化膜が生成され、電気的接触が得られないことがわかった。そこで、n-GaPとITOの間に、5nmのAuGe極薄膜を挿入することで、n-GaPとITOの電気的接触抵抗を実現する新たなプロセスを開発した。また、裏面Si基板の等方性エッチングを用いた裏面光取り出し構造を作製することにも成功した。一方で、基本機能を有する光出力可能なモノリシックOEICとして、出力用にLEDを備えた1bitカウンタをSi/III-V-N/Si構造に作製し、カウンタ出力に応じた光出力を得ることに成功した。これらにより、次世代に向けた超並列知能チップへの大きな進展を示すことができた。

研究成果

• [雑誌論文] Effects of Mg doping on the electrical and luminescence characterizations of p-type GaAsN alloys grown by MBE (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Umeno, Y.Furukawa, N.Urakami, S.Mitsuyoshi, H.Yonezu, A.Wakahara
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 312(1) ページ: 231-237
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of self-assembled InGaAsN/GaP quantum dots by molecular-beam epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Umeno, Y.Furukawa, N.Urakami, R.Noma, S.Mitsuyoshi, A.Wakahara, H.Yonezu
  • 雑誌名: Physica E (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and luminescence characterization of dilute InPN alloys grown by molecular beam epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Umeno, Y.Furukawa, N.Urakami, S.Mitsuyoshi, H.Yonezu, A.Wakahara, F.Ishikawa, M.Kondow
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science and Technology B (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical and luminsence properties of Mg-doped p-type GaPN grown by molecular beam epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Mitsuyoshi, K.Umeno, Y.Furukawa, N.Urakami, A.Wakahara, H.Yonezu
  • 雑誌名: Physica Status Solidi C (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice relaxation process and crystallographic tilt in GaP layers grown on misoriented Si(001) substrates by metalorganic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Takagi, Y.Furukawa, A.Wakahara, H.Kan
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] MBE growth of GaAsN/GaP(N) quantum wells with abrupt heterointerfaces for photonics applications on Si substrates (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Umeno, Y.Furukawa, A.Wakahara, R.Noma, H.Okada, H.Yonezu, Y.Takagi, H.Kan
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 311(7) ページ: 1748-1754
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of Pit-Free GaP on Si by Suppression of a Surface Reaction at an Initial Growth Stage (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Yamane. T. Kobayashi, Y. Furukawa, H. Okada, H. Yonezu, A. Wakahara
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 311(3) ページ: 794-797
  • 査読あり
• [雑誌論文] III-V Epitaxy on Si for Photonics Applications (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Yonezu, Y. Furukawa, A. Wakahara (Invited)
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 310(23) ページ: 4757-4762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Doping Control and Evaluation of pn-junction LED in GaPN Grown by OMVPE (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Halakenaka, Y. Nakanishi, A. Wakahara, Y. Furukawa, H. Okada
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 310(23) ページ: 5147-5150
  • 査読あり
• [学会発表] 自己形成InGaAsN/GaP量子ドットの発光特性に与える熱処理効果 (2010)
  • 著者名/発表者名: 浦上法之, 梅野和行, 光吉三郎, 深見太志, 米津宏雄, 古川雄三, 若原昭浩
  • 学会等名: 第57回応用物理関係連合講演会, 17p-TW-12, p. 15-060
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
• [学会発表] 自己形成InGaAsN/GaP量子ドットに対する量子準位の解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 深見太志, 梅野和行, 浦上法之, 光吉三郎, 古川雄三, 米津宏雄, 若原昭浩
  • 学会等名: 第57回応用物理関係連合講演会, 17p-TW-13, p. 15-061
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
• [学会発表] 固体ソースMBE法によるAlPNの成長 (2010)
  • 著者名/発表者名: 河合剛, 山根啓輔, 古川雄三, 岡田浩, 若原昭浩
  • 学会等名: 第57回応用物理関係連合講演会, 18p-TW-13, p. 15-091
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
• [学会発表] Si/III-V-N/Siヘテロ界面を有するLEDの駆動電圧の低減 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山根啓輔, 山田真太郎, 古川雄三, 岡田浩, 若原昭浩
  • 学会等名: 第57回応用物理関係連合講演会, 19a-TW-11, p. 15-104
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
• [学会発表] 光出力を有したSi/III-V-N/Si構造上のモノリシック光・電子集積回路 (2010)
  • 著者名/発表者名: 野口健太, 田中誠造, 山根啓輔, 出口裕輝, 古川雄三, 岡田浩, 若原昭浩, 米津宏雄
  • 学会等名: 第57回応用物理関係連合講演会, 19a-TW-11, p. 15-105
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
• [学会発表] Si上III-Vデバイス用GaPN/GaP/Si構造のMBE成長 (2009)
  • 著者名/発表者名: 河合剛, 山根啓輔, 古川雄三, 岡田浩, 若原昭浩
  • 学会等名: 第39回結晶成長国内会議 (NCCG-39) 予稿集, 12PS32, p. 70
  • 発表場所: 名古屋大学
• [学会発表] III-V on Si格子整合ヘテロエピタキシーとモノリシック光・電子融合システム (2009)
  • 著者名/発表者名: 古川雄三, 若原昭浩, 米津宏雄
  • 学会等名: 第70回応用物理学会学術講演会, 9p-TE-2, p. 87
  • 発表場所: 富山大学
• [学会発表] Si基板上無転位発光素子に向けたGaPN/GaP/Si構造におけるGaP中間層依存性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山根啓輔, 古川雄三, 岡田浩, 若原昭浩
  • 学会等名: 第70回応用物理学会学術講演会, 9p-C-16, p. 306
  • 発表場所: 富山大学
• [学会発表] MBE成長したGaAsN/GaPN歪量子井戸の発光特性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 梅野和行, 光吉三郎, 浦上法之, 岡田浩, 米津宏雄, 古川雄三, 若原昭浩
  • 学会等名: 第70回応用物理学会学術講演会, 9p-C-3, p. 302
  • 発表場所: 富山大学
• [学会発表] Si基板上のInGaAsN/GaPN量子構造のバンドアライメントの解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 浦上法之, 梅野和行, 光吉三郎, 米津宏雄, 岡田浩, 古川雄三, 若原昭浩
  • 学会等名: 第70回応用物理学会学術講演会, 9p-C-2, p. 302
  • 発表場所: 富山大学
• [学会発表] 「講演奨励賞受賞記念講演」MBE成長したGaAsN混晶の発光特性に与えるMg添加効果 (2009)
  • 著者名/発表者名: 梅野和行, 浦上法之, 光吉三郎, 岡田浩, 米津宏雄, 古川雄三, 若原昭浩
  • 学会等名: 第70回応用物理学会学術講演会, 9p-C-1, p. 301
  • 発表場所: 富山大学
• [学会発表] Electrical and Luminescence Properties of Mg Doped p-GaPN Grown by MBE (2009)
  • 著者名/発表者名: 光吉三郎, 梅野和行, 古川雄三, 浦上法之, 岡田浩, 若原昭浩, 米津宏雄
  • 学会等名: The 36th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2009), 5.5
  • 発表場所: University of California, Santa Barbra
• [学会発表] Growth and luminescence characterization of dilute InPN alloys grown by solid source molecular beam epitaxy (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Umeno, Y.Furukawa, N.Urakami, S.Mitsuyoshi, F.Ishikawa, H.Yonezu, A.Wakahara, M.Kondow
  • 学会等名: 26th North American Molecular Beam Epitaxy Conference (NAMBE-26), P1.20
  • 発表場所: Princeton University, Princeton, NJ
• [学会発表] Growth and luminescence characterization of self-assembled InGaAsN/GaPN quantum dots for photonics applications on Si (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Umeno, R.Noma, Y.Furukawa, S.Mitsuyoshi, H.Okada, A.Wakahara, H.Yonezu
  • 学会等名: 14th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-14), Mo-mP52
  • 発表場所: Kobe International Conference Center, Kobe
• [学会発表] Effects of Mg doping on the luminescence characterization of GaAsN alloys grown by MBE (2009)
  • 著者名/発表者名: 梅野和行, 古川雄三, 光吉三郎, 浦上法之, 岡田浩, 若原昭浩, 米津宏雄
  • 学会等名: 51st Electronic Materials Conference (EMC51), A2, Tech.Prog.P.13
  • 発表場所: University Park, Pennsylvania
• [学会発表] Annihilation mechanism of stacking faults on GaP layers grown on Si substrates within the critical thickness (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Keisuke, T.Kawai, Y.Furukawa, A.Wakahara, H.Okada, H.Yonezu
  • 学会等名: 51st Electronic Materials Conference (EMC51), S1, Tech.Prog.P.45
  • 発表場所: University Park, Pennsylvania
• [学会発表] p-GaPNの発光機構と変調ドープGaAsN/GaPN高歪量子井戸への応用 (2009)
  • 著者名/発表者名: 光吉三郎・梅野和行・浦上法之・岡田浩・古川雄三・若原昭浩
  • 学会等名: 電子情報通信学会, 信学技報, vol. 109, no. 23, ED2009-30, pp. 65-70
  • 発表場所: 豊橋技術科学大学
• [学会発表] 自己形成InGaAsN/GaPN量子ドットの成長と発光特性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 浦上法之・野間亮佑・梅野和行・光吉三郎・岡田浩・古川雄三・若原昭浩
  • 学会等名: 電子情報通信学会, 信学技報, vol. 109, no. 23, ED2009-31, pp. 71-76
  • 発表場所: 豊橋技術科学大学
• [学会発表] MBE growth of self-assembled InGaAsN/GaPN quantum dots for photonics applications on Si substrate (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Urakami, K.Umeno, R.Noma, S.Mitsuyoshi, H.Yonezu, H.Okada, Y.Furukawa, A.Wakahara
  • 学会等名: 28th Electronic Materials Symposium (EMS-28) F10, pp. 167-168
  • 発表場所: Laforet Biwako, Moriyama, Shiga
• [学会発表] Optimization of shutter sequence on migration enhanced epitaxy for pseudomorphic GaP on Si with low dislocation density (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Yamane, T.Kawai, Y.Furukawa, H.Okada, A.Wakahara
  • 学会等名: 28th Electronic Materials Symposium (EMS-28) E5, pp. 133-134
  • 発表場所: Laforet Biwako, Moriyama, Shiga
• [学会発表] Reduction of impurity concentration in Si epilayer and fabrication of photodiodes for monolithic optoelectronic integrated circuits (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Noguchi, K.Yamane, S.Iwahashi, Y.Furukawa, H.Okada, A.Wakahara
  • 学会等名: 28th Electronic Materials Symposium (EMS-28) C5, pp. 67-68
  • 発表場所: Laforet Biwako, Moriyama, Shiga
• [学会発表] Luminescence characterization of p-GaPN and application for modulation p-doped GaAsN/GaPN highly strained quantum wells (2009)
  • 著者名/発表者名: 光吉三郎, 梅野和行, 浦上法之, 米津宏雄, 岡田浩, 古川雄三, 若原昭浩
  • 学会等名: 28th Electronic Materials Symposium (EMS-28) A15, pp. 35-36
  • 発表場所: Laforet Biwako, Moriyama, Shiga
• [学会発表] Doping control and the electrical characterization of Mg doped p-GaAsN alloys grown by MBE (2009)
  • 著者名/発表者名: 梅野和行, 浦上法之, 光吉三郎, 米津宏雄, 岡田浩, 古川雄三, 若原昭浩
  • 学会等名: 28th Electronic Materials Symposium (EMS-28) A5, pp. 15-16
  • 発表場所: 28th Electronic Materials Symposium (EMS-28) A5, pp. 15-16
• [学会発表] III-V Epitaxy on Si for Photonics Applications (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Yonezu, Y. Furukawa, A. Wakahara (Invited)
  • 学会等名: 14th International Conference of Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-14)
  • 発表場所: Metz, France