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低温成長による点欠陥密度の制御に基づくBi系Ⅲ-Ⅴ族半導体の発現機能の最大活用

研究課題

研究課題/領域番号 21H01829
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30010:結晶工学関連
研究機関広島大学

研究代表者

富永 依里子  広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (40634936)

研究分担者 上殿 明良  筑波大学, 数理物質系, 教授 (20213374)
石川 史太郎  北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (60456994)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2021年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
キーワードBi系III-V族半導体半金属混晶 / 分子線エピタキシー法 / 低温成長 / 結晶欠陥 / 陽電子消滅法 / Bi系III-V族半導体混晶
研究開始時の研究の概要

GaAsBiやInAsBiといったビスマス (Bi) 系III-V族半導体混晶は、GaAs、InAs各母体結晶にBi原子をわずか数パーセント取り込むだけで、禁制帯幅が急激に小さくなる、価電子帯上端が高エネルギーシフトする、禁制帯幅の温度依存性が低減するという特異な物性を発現する。本研究では、分子線エピタキシー法による当該半導体混晶の400℃以下での低温結晶成長による量子構造を開拓する。低温成長とBi原子の存在は、当該半導体混晶の点欠陥形成にどのように影響するのかという学術的問いを基軸に量子構造内の点欠陥密度の制御を可能にし、上記3つの物性を最大限活用したデバイス応用基盤を助成期間で確立する。

研究成果の概要

本研究期間において、希釈Bi系III-V族半導体のMBE法を用いた低温成長条件最適化を進め、その成長モデルを検討し、低温成長であっても、単結晶エピタキシャル薄膜が得られる成長条件が存在することを明らかにした。多様な結晶性評価手法により、アンチサイト型・空孔型両点欠陥の当該半導体結晶内における存在が示唆された。これらの結果は、光通信帯光源が利用可能なテラヘルツ波発生検出用光伝導アンテナの開発につながるものである。他方、動作特性が温度に依存しない光通信用新規半導体レーザーの開発に向け、InAsBi量子ドットの作製方法の確立を進め、新たな積層InAsBi量子ドットの作製方法を見出すことができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

2030年に実用開始が目標に設定されている第6世代移動通信システム(6G)においては、従来よりも低消費電力や低コストを実現しながら、光通信全体の更なる大容量化やサブテラヘルツ帯以上の高周波帯域に対応した様々なデバイスが求められる。本研究が対象としているBi系III-V族半導体はこうした光通信・無線通信で求められる光学・テラヘルツ両デバイスに応用できる可能性を秘めており、本研究成果はデバイス開発に向けた結晶を得る指針を見出したものと位置付けることができる。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (44件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (38件) (うち国際学会 7件、 招待講演 13件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ開発に向けた GaAsBi 成長2023

    • 著者名/発表者名
      富永 依里子
    • 雑誌名

      応用物理

      巻: 92 号: 10 ページ: 617-621

    • DOI

      10.11470/oubutsu.92.10_617

    • ISSN
      0369-8009, 2188-2290
    • 年月日
      2023-10-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural evaluation of GaAs1-xBix obtained by solid-phase epitaxial growth of amorphous GaAs1-xBix thin films deposited on (001) GaAs substrates2023

    • 著者名/発表者名
      Osamu Ueda, Noriaki Ikenaga, Yukihiro Horita, Yuto Takagaki, Fumitaka Nishiyama, Mitsuki Yukimune, Fumitaro Ishikawa, Yoriko Tominaga
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: 601 ページ: 126945-126945

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2022.126945

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystalline quality of GaAs1-xBix grown below 250 °C using molecular beam epitaxy2022

    • 著者名/発表者名
      Yoriko Tominaga、Yukihiro Horita、Yuto Takagaki、Fumitaka Nishiyama、Mitsuki Yukimune、Fumitaro Ishikawa
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 号: 4 ページ: 045504-045504

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac5ba5

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] THz波発生検出素子応用に向けた低温成長Bi系III-V族半導体の結晶欠陥制御2024

    • 著者名/発表者名
      富永依里子、石川史太郎、池永訓昭、上田修
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会 第44回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 低温成長Bi系III-V族半導体混晶のデバイス応用展開:新規THz波発生検出素子の開拓2024

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      電気化学会 第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] THz波発生検出用光伝導アンテナに向けた低温成長Bi系III-V族半導体2024

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      日本学術振興会 テラヘルツ波科学技術と産業開拓 第182委員会 最終研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 低温成長Bi系III-V族半導体の結晶欠陥制御とTHz波発生検出素子への応用(講演決定済)2024

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      電子情報通信学会スマートインフォメディアシステム研究会6月SIS研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] MBE法によるSi(111)基板上GaAsナノワイヤ核形成初期段階の検討2024

    • 著者名/発表者名
      中間海音, 峰久惠輔, 橋本英李, 石川史太郎
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] GaAs系ナノワイヤにおけるアニール処理温度が光学特性へ与える影響2024

    • 著者名/発表者名
      橋本英季, 飯田竜雅, 後藤拓翔, 峰久惠輔, 中間海音, 石川史太郎
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] X-ray fluorescence holography of low-temperature-grown GaAs1-xBix2023

    • 著者名/発表者名
      Yoriko Tominaga, Koji Kimura, Seiya Saito, Minato Harada, Yusaku Kozai, Fumitaro Ishikawa, Naohisa Happo, and Kouichi Hayashi,
    • 学会等名
      International conference on complex orders in condensed matter: aperiodic order, local order, electronic order, hidden order
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 化合物半導体結晶はいかに紡ぎ出されるのか -超高真空中と細菌からと- そしてその応用展開2023

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      日本学術会議 ウェブ公開シンポジウム「基礎科学が導くSDGs達成への道~結晶&生命&技術革新~」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 低温成長(In)yGa1-yAs1-xBixのバンド端ゆらぎの解析2023

    • 著者名/発表者名
      荒川竜芳, 梅西達哉, 齋藤聖哉, 香西優作, 行宗詳規, 石川史太郎, 富永 依里子
    • 学会等名
      2023年度日本材料学会半導体エレクトロニクス部門委員会 第1回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Bi系III-V 族半導体の低温成長による結晶欠陥制御に基づく光学・THz両デバイス2023

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      第27回 2023年度 福井セミナー:レーザー学会中部支部 レーザー普及セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Bi系III-V 族半導体混晶の低温成長が切り拓く新規デバイス応用展開-基板界面との関係は?-2023

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      表面技術協会 第148回講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] テラヘルツ波発生検出素子応用に向けた低温成長GaAsBi2023

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      日本フォトニクス協議会(JPC)フォーラム 9月定例会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛍光X線ホログラフィーを用いた低温成長GaAsBiの結晶学的特性の解析2023

    • 著者名/発表者名
      香西優作、木村耕治、梅西達哉、齋藤聖哉、富永依里子、行宗詳規、石川史太郎、八方直久、林好一
    • 学会等名
      第42回電子材料シンポジウム(EMS-42)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] (001)GaAs基板上のGaAs1-xBix薄膜の構造評価(1) 熱処理した低温成長GaAs1-xBix薄膜中の欠陥のTEM評価2023

    • 著者名/発表者名
      上田修、池永訓昭、堀田行紘、高垣佑斗、西山文隆、行宗詳規、石川史太郎、富永依里子
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] (001)GaAs基板上のGaAs1-xBix薄膜の構造評価(2) 固相成長したGaAs1-xBix薄膜中の欠陥のTEM評価2023

    • 著者名/発表者名
      上田修、池永訓昭、堀田行紘、高垣佑斗、西山文隆、行宗詳規、石川史太郎、富永依里子
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 様々な結晶成長 -Bi系III-V族半導体半金属混晶の分子線エピタキシャル成長から細菌を用いたGaAs系III-V族化合物半導体混晶まで-2023

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      2022年度 新結晶成長学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 化合物半導体結晶はいかに紡ぎ出されるのか-超高真空中と細菌からと-そしてその応用展開2023

    • 著者名/発表者名
      富永依里子
    • 学会等名
      日本学術会議結晶学分科会、同IUCr分科会主催 公開WEBシンポジウム『基礎科学が導くSDGs達成への道 ~結晶&生命&技術革新~』
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] MBE法を用いた無加工2インチ Si 基板上 GaInNAs ナノワイヤ成長2023

    • 著者名/発表者名
      峰久 恵輔, 橋本 英季, 中間 海音, 谷川 武瑠, 行宗 詳規, 石川 史太郎
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] V/III atomic ratio during molecular beam epitaxial growth of dilute bismide III-V compound semiconductors at low temperatures2022

    • 著者名/発表者名
      Yoriko Tominaga
    • 学会等名
      The 5th International Union of Materials Research Societies International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 低温成長GaAs1-xBixのホッピング伝導機構の解析2022

    • 著者名/発表者名
      原田南斗、梅西達哉、香西優作、富永依里子、行宗詳規、石川史太郎、梶川靖友
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 低温成長GaAs1-xBixの光信号応答時間のBi組成依存性2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤聖哉, 梅西達哉, 原田南斗, 香西優作, 富永依里子, 行宗詳規, 石川史太郎, 小島磨
    • 学会等名
      第41回電子材料シンポジウム(EMS-41)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Internal Photoemission Characterization for Low-Temperature-Grown GaAsBi Layers2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Imabayashi, Minato Umeda, Kenji Shiojima, Tatsuya Umenishi, Yoriko Tominaga, Mitsuki Yukimune, Fumitaro Ishikawa, and Osamu Ueda
    • 学会等名
      Advanced Metallization Conference 2022, 31st Asian Session (ADMETA plus)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] MBE研究で続けてきたこと2022

    • 著者名/発表者名
      石川史太郎
    • 学会等名
      第4回電子材料若手交流会(ISYSE) 研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 2 inch Wafer Scale GaAs Nanowires Synthesis by Self-Catalyzed Molecular Beam Epitaxy2022

    • 著者名/発表者名
      K. Minehisa, H. Hashimoto, K. Nakama, T. Tanigawa, K. Sakaguchi, M. Yukimune, and F. Ishikawa
    • 学会等名
      第41回電子材料シンポジウム(EMS-41)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 無加工2インチSi基板上GaInNAsナノワイヤの分子線エピタキシャル成長2022

    • 著者名/発表者名
      峰久恵輔, 橋本英季, 中間海音, 谷川武瑠, 行宗詳規, 石川史太郎
    • 学会等名
      第 14 回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Molecular beam epitaxial growth of III-V-bismide semiconductors at low temperatures toward terahertz and optical device applications2021

    • 著者名/発表者名
      Yoriko Tominaga, Fumitaro Ishikawa, Kouichi Akahane
    • 学会等名
      8th International Workshop Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures (SemiconNano2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ラングミュアの吸着等温式に基づく低温成長GaAs1-xBixの成長条件2021

    • 著者名/発表者名
      梅西達哉、高垣佑斗、富永依里子、行宗詳規、石川史太郎
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] InAs1-xBix/GaAs量子ドットの実現に向けたMBE成長条件の検討2021

    • 著者名/発表者名
      吉岡顕大、横手竜希、岡村祐輝、藤野翔太朗、富永依里子、行宗詳規、石川史太郎、林将平、赤羽浩一
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] InAs系量子ドットにおけるBi原子の表面偏析2021

    • 著者名/発表者名
      岡村祐輝、藤野翔太朗、横手竜希、吉岡顕大、富永依里子、行宗詳規、石川史太郎、林将平、赤羽 浩一
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Bandgap energy dependence on Bi content in low-temperature-grown GaAs1-xBix2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤聖哉、梅西達哉、富永依里子
    • 学会等名
      第40回電子材料シンポジウム(40th Electronic Materials Symposium, EMS-40)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Analysis of conductivity to detect antisite defects in low-temperature-grown GaAs1-xBix2021

    • 著者名/発表者名
      原田南斗、梅西達哉、高垣佑斗、富永依里子
    • 学会等名
      第40回電子材料シンポジウム(40th Electronic Materials Symposium, EMS-40)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Molecular beam epitaxial growth of dilute bismide III-V compound semiconductors at low temperatures2021

    • 著者名/発表者名
      Yoriko Tominaga
    • 学会等名
      Online physics colloquium at Research Center for Physics Indonesia Institute of Sciences
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ラングミュアの吸着等温式に基づくMBE低温成長条件の設定-GaAs1-xBix からInyGa1-yAs1-xBixへ-2021

    • 著者名/発表者名
      梅西達哉、高垣佑斗、富永依里子
    • 学会等名
      薄膜材料デバイス研究会 第18回研究集会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 動作特性が温度無依存である半導体レーザの開発に向けたInAs1-xBix/GaAs 量子ドットのMBE成長2021

    • 著者名/発表者名
      吉岡顕大, 岡村祐輝, 横手竜希, 藤野翔太朗, 富永依里子, 行宗詳規, 石川史太郎, 林将平, 赤羽浩一
    • 学会等名
      薄膜材料デバイス研究会 第18回研究集会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Beam Epitaxial Growth of GaAs/GaNAsBi/GaAs Core-Multishell Nanowires2021

    • 著者名/発表者名
      Yuto Torigoe, Kohei Yoshikawa, Masahiro Okujima, Syota Mori, Mitsuki Yukimune, Robert D. Richards, Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      21st International Conference on Molcular Beam Epitaxy (ICMBE)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Beam Epitaxial Growth of GaNAsBi Nanowires emitting 1300nm2021

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Okujima, Kohei Yoshikawa, Yuto Torigoe, Syota Mori, Mitsuki Yukimune, Robert D. Richards, Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      15th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronic Materials and Devices (MIOMD)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] GaAs related core-multishell nanowires having GaNAsBi well grown by molecular beam epitaxy2021

    • 著者名/発表者名
      Yuto Torigoe, Kohei Yoshikawa, Masahiro Okujima, Syota Mori, Mitsuki Yukimune, and Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      第40回電子材料シンポジウム(40th Electronic Materials Symposium, EMS-40)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 分子線エピタキシー法によるGaAs/GaNAsBi/GaAs コア-マルチシェルナノワイヤの成長2021

    • 著者名/発表者名
      奥嶋正浩, 吉川晃平, 森翔太, 行宗詳規, 石川史太郎
    • 学会等名
      日本金属学会 2021年秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 広島大学 研究者総覧:富永依里子

    • URL

      https://seeds.office.hiroshima-u.ac.jp/profile/ja.9797704fc927298d520e17560c007669.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] Yoriko Tominaga personal website

    • URL

      https://sites.google.com/view/yorikotominaga-crystalg/home

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] 【研究成果プレスリリース】新しい化合物半導体の低温生成領域を開拓

    • URL

      https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/70017

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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