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融合型電子材料ナノワイヤのマクロスケール機能開拓

研究課題

研究課題/領域番号 23H00250
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
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
研究機関北海道大学

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)

研究分担者 村山 明宏  北海道大学, 情報科学研究院, 特任教授 (00333906)
長島 一樹  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (10585988)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
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)
2025年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
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)
キーワード化合物半導体 / ナノワイヤ / 分子線エピタキシー / 光電変換 / 半導体 / 通信帯光源 / 量子機能 / シリコン / レーザー / 大出力
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。

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。

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。

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。

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 12件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] リンショピン大学(スウェーデン)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 化合物半導体ナノワイヤの新材料開拓2024

    • 著者名/発表者名
      石川 史太郎
    • 雑誌名

      応用物理

      巻: 93 号: 1 ページ: 24-28

    • DOI

      10.11470/oubutsu.93.1_24

    • ISSN
      0369-8009, 2188-2290
    • 年月日
      2024-01-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Exploring novel compound semiconductor nanowires2024

    • 著者名/発表者名
      Fumitaro Ishikawa
    • 雑誌名

      JSAP Review

      巻: 2024 号: 0 ページ: n/a

    • DOI

      10.11470/jsaprev.240403

    • ISSN
      2437-0061
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-Performance Multiwavelength GaNAs Single Nanowire Lasers2024

    • 著者名/発表者名
      Jansson Mattias、Nosenko Valentyna V.、Torigoe Yuto、Nakama Kaito、Yukimune Mitsuki、Higo Akio、Ishikawa Fumitaro、Chen Weimin M.、Buyanova Irina A.
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 18 号: 2 ページ: 1477-1484

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c07980

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] GaAs/GaInNAs core-multishell nanowires with a triple quantum-well structure emitting in the telecommunication range2023

    • 著者名/発表者名
      Nakama Kaito、Yukimune Mitsuki、Kawasaki Naohiko、Higo Akio、Hiura Satoshi、Murayama Akihiro、Jansson Mattias、Chen Weimin M.、Buyanova Irina A.、Ishikawa Fumitaro
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 号: 8 ページ: 81104-81104

    • DOI

      10.1063/5.0160080

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Lattice dynamics and carrier recombination in GaAs/GaAsBi nanowires2023

    • 著者名/発表者名
      Jansson M.、Nosenko V. V.、Rudko G. Yu、Ishikawa F.、Chen W. M.、Buyanova I. A.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 12880-12880

    • DOI

      10.1038/s41598-023-40217-2

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 近赤外域で光吸収・発光特性を示すSi上化合物半導体ナノワイヤ2024

    • 著者名/発表者名
      峰久 惠輔, 橋本 英李, 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] 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] 積層周期を変化させたGaAs/GaNAsコア-マルチシェル多重量子井戸構造ナノワイヤの分子線エピタキシャル成長2024

    • 著者名/発表者名
      飯田 竜雅, 中間 海音, 橋本 英李, 峰久 惠輔, 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/GaInNAsSbコア-マルチシェルナノワイヤの分子線エピタキシャル成長2024

    • 著者名/発表者名
      後藤 拓翔, 中間 海音, 橋本 英李, 峰久 惠輔, 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] Enhancing Efficiency of Second-Harmonic Generation in III-V Nanowires via Lattice Engineering2023

    • 著者名/発表者名
      Bin Zhang, Jan E. Stehr, Ping-Ping Chen, Xingjun Wang, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova
    • 学会等名
      IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference (IEEE-NMDC)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nanowires from Dilute Nitride and Dilute Bismide Alloys for Nanophotonics2023

    • 著者名/発表者名
      I. A. Buyanova, F. Ishikawa, and W. M. Chen
    • 学会等名
      244th ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Energy upconversion in core/shell nanowire heterostructures based on dilute nitride alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Mattias Jansson, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova
    • 学会等名
      14th Int. Conf. Nitride Semicond. (ICNS14)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design Rules for an Efficient Photon Upconversion in Semiconductor Nanostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Mattias Jansson, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova
    • 学会等名
      9th South African Conference on Photonic Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nanowires from highly mismatched alloys for nanophotonics2023

    • 著者名/発表者名
      I. A. Buyanova, F. Ishikawa, and W. M. Chen
    • 学会等名
      International Conference on Nanophotonics and photovoltaics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structural control of GaAs/AlGaAs core-shell nanowires with buried entire structure, native oxidation, and strain-induced deformations tuned by top-shell layer2023

    • 著者名/発表者名
      Hidetoshi Hashimoto , Keisuke Minehisa , Kaito Nakama , Kazuki Nagashima , Takeshi Yanagida , Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] GaAs/GaInNAs/GaAs Core-Multishell Nanowires with Multiple Quantum-Wells Emitting at 1.2 μm for Telecommunications2023

    • 著者名/発表者名
      Kaito Nakama, Keisuke Minehisa, Akio Higo, Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Core-Multishell Nanowires of GaAs/GaInNAs Tripe Quantum Wells Emitting up to Telecommunication Wavelength 1.28 μm2023

    • 著者名/発表者名
      K. Nakama, K. Minehisa, A. Higo, F. Ishikawa
    • 学会等名
      Nanowire Week 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enrolled Cylinder Transferred from Coalesced GaAs/Al-rich AlGaAs Core-Shell Nanowires through Native Oxidation2023

    • 著者名/発表者名
      H. Hashimoto, K. Minehisa, K. Nakama, K. Nagashima, T. Yanagida, F. Ishikawa
    • 学会等名
      Nanowire Week 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Beam Epitaxy of GaInNAs Nanowires over 2-inch Si(111) Substrate Operating at Near Infrared Regime2023

    • 著者名/発表者名
      K. Minehisa, H. Hashimoto, K. Nakama, F. Ishikawa
    • 学会等名
      Nanowire Week 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Beam Epitaxial Growth of GaInAs, GaNAs and GaInNAs Nanowires over 2-inch Si(111) Substrate Showing Emission at Near Infrared Regime2023

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Minehisa, Hidetoshi Hashimoto, Kaito Nakama, Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      The 37th North American Conference on Molecular Beam Epitaxy (NAMBE 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Material Exploration and Wafer Scale Growth of GaAs Related Nanowires by Self-catalyzed Molecular Beam Epitaxy2023

    • 著者名/発表者名
      Fumitaro Ishikawa
    • 学会等名
      11th International Conference on Materials for Advanced Technologies 2023 (ICMAT 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] MBE法による通信帯域発光波長を有するGaAs/GaInNAs/GaAsコアマルチシェルナノワイヤのパターン基板上VLS成長2023

    • 著者名/発表者名
      中間 海音, 行宗 詳規, 肥後 昭男, 石川 史太郎
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] GaAsナノワイヤにおける窒素パッシベーションとアニール処理の光学特性への影響2023

    • 著者名/発表者名
      橋本 英季, 峰久 恵輔, 中間 海音, 石川 史太郎
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] パターンSi基板を用いた位置選択MBE法によるGaAs系ナノワイヤ配列・構造制御2023

    • 著者名/発表者名
      中間海音, 行宗詳規, 峰久恵輔, 肥後昭男, 石川史太郎
    • 学会等名
      第15回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] GaAs/AlGaAsコア-シェルナノワイヤ埋込構造における酸化プロセスと構造変形2023

    • 著者名/発表者名
      橋本英季, 峰久恵輔, 中間海音, 谷川武瑠, 長島一樹, 柳田剛, 石川史太郎
    • 学会等名
      第15回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 近赤外域発光を示す2インチSi(111)基板上GaInAs, GaNAs,およびGaInNAsナノワイヤの分子線エピタキシャル成長2023

    • 著者名/発表者名
      峰久 恵輔, 橋本 英季, 中間 海音, 石川 史太郎
    • 学会等名
      第15回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 北海道大学 量子集積エレクトロニクス研究センター 先進ナノ電子材料研究室 石川グループ

    • URL

      https://sites.google.com/view/ishikawa-rciqe/home

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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