| 研究課題/領域番号 |
23H00250
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
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)
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| 研究分担者 |
村山 明宏 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (00333906)
長島 一樹 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (10585988)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
47,190千円 (直接経費: 36,300千円、間接経費: 10,890千円)
2024年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
2023年度: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
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| キーワード | ナノワイヤ / 半導体 / 通信帯光源 / 量子機能 / 分子線エピタキシー / シリコン / レーザー / 大出力 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高度に半導体と酸化物を融合させた電子材料ナノワイヤの大容量化とその機能開拓を行う。そのなかで、独自の材料提案から①シリコンテクノロジーとの融合、②大出力化、③新量子機能発現により電子材料のナノ-マクロを繋ぐ学術基盤を構築する。具体的には、Siウエファ上に大面積・均質・高品質なIII-V族半導体ナノワイヤを積層することでシリコンテクノロジーと融合可能な大出力光電変換を実現する。さらに、半導体ナノワイヤと酸化物を融合させた材料開拓、光・電子・スピン機能開拓からナノワイヤの未踏機能を探求する。これらをとおして、ナノエレクトロニクス有効領域を生活空間で認識可能なマクロスケールに拡大する。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、高度に半導体と酸化物など多種元素・材料を融合させた電子材料ナノワイヤの大容量化とその機能開拓を行う。そのなかで、独自の材料提案から①シリコンテクノロジーとの融合、大出力化、新量子機能発現により電子材料のナノ-マクロを繋ぐ学術基盤を構築する。具体的には、Siウエファ上に大面積・均質・高品質なIII-V族半導体ナノワイヤを積層することでシリコンテクノロジーと融合可能な大出力光電変換を実現する。さらに、半導体ナノワイヤと多種元素・材料を融合させた材料および光・電子機能開拓からナノワイヤの未踏機能を探求する。これらをとおして、ナノエレクトロニクス有効領域を生活空間で認識可能なマクロスケールに拡大する。
具体的には初年度は①Siウエファ全面での高効率ナノワイヤの成長と、②取り扱う多彩なナノワイヤの機能開拓を行った。そのなかで、Si基板上に大容量にGaAs系ヘテロ構造ナノワイヤの合成に成功、従来の報告を大きく超えた２インチ基板上に10億本以上のナノワイヤ成長を実現するとともに、その発光・受光帯域の近赤外域への拡大に成功した。発光は高温昇温時でも高い発光性能とキャリア寿命を保持し、熱損失の小さな高品質結晶であることを示した。In, Ga, N, Sb導入による赤外帯域応用材料の探求では、それら元素の導入によって良好にバンド構造が制御されたことが示唆される発光を得ることができた。また、GaAsにNを添加したGaNAsナノワイヤでは、単一のナノワイヤから室温付近まで高効率化されたレーザー発振が得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
Siウエファ全面での高効率ナノワイヤの成長と、多彩なナノワイヤの機能開拓から以下の成果を初年度に得た。
・Si基板上に大容量にGaAs系ヘテロ構造ナノワイヤの合成に成功、従来の報告を大きく超えた２インチ基板上に10億本以上のナノワイヤ成長を実現した。
・Si基板全面で大容量で得られたナノワイヤは反射率5%以下の良好な光吸収特性と発光特性を示し、その発光・受光帯域は波長1.1μmを超える近赤外域まで拡張できた。
・Si基板上GaAs/AlGaAsコア-シェル構造ナノワイヤの発光は高温昇温時でも高い発光性能とキャリア寿命を保持し、熱損失の小さな高品質結晶であることを示した。
・In, Ga, N, Sb導入による赤外帯域応用材料の探求では、それら元素の導入によって良好にバンド構造が制御されたことが示唆される発光を得ることができた。
・GaAsにNを添加したGaNAsナノワイヤでは、単一のナノワイヤから室温付近まで高効率化されたレーザー発振が得られた。
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| 今後の研究の推進方策 |
上述の得られた成果ともとに2024年度は以下に着手し取り組む。
・大面積で得られたSi基板上III-V族化合物半導体ナノワイヤの詳細な物性評価から、その機能を正確に把握し、受光・発光デバイスへ展開する。
・拡張されたナノワイヤ動作帯域の光ファイバー通信帯域を網羅した1.5μm帯域を見据えたさらなる長波長化とその高効率化に向けてナノワイヤの材料・構造について検討を進める。
・多重量子井戸構造の積層数などが結晶特性から系全体の特性に与える影響について詳細に評価し、高い吸収・発光性能が得られるナノワイヤの低次元構造を有効活用した構造の探求とその成長方法確立を進める。
・デバイス応用に向けたプロセス技術確立に着手する。
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