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Bi系Ⅲ-Ⅴ族半導体混晶の機能発現機構の解明に向けた秩序構造の可視化と制御

公募研究

研究領域超秩序構造が創造する物性科学
研究課題/領域番号 21H05566
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
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 / 秩序構造 / 低温成長 / 蛍光X線ホログラフィー / 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原子がわずか数パーセント取り込まれることで特異な物性を発現するという特徴を有している。本研究は、放射光を用いて、単結晶およびアモルファスのGaAsBiやInAsBi内の点欠陥・複合欠陥を含む秩序構造の種類や密度を測定し、成長条件と秩序構造との相関を得て、Bi系III-V族半導体混晶において特異な物性が発現する理由を解明する。大型放射光施設SPring-8等を利用し、X線回折法やX線吸収微細構造分析、蛍光X線ホログラフィーの結果を基に当該混晶内の秩序構造を明らかにする。

研究実績の概要

研究代表者は、Bi系III-V族半導体半金属混晶の特性を生かしたデバイス応用先として、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や動作特性が温度変化に対して変動しない新規光通信用半導体レーザを挙げている。研究二年度目の当該年度は、前者のPCA用半導体材料と位置付けている低温成長GaAsBiの蛍光X線ホログラフィー(XFH)測定に重点的に取り組んだ。低温成長GaAsBiは昨年度、GaAs基板上に250oCで厚み200 nmを分子線エピタキシャル(MBE)成長したものである。Bi組成は1.7%で、ラザフォード後方散乱法の結果を基に算出した。

XFH測定は大型放射光施設SPring-8のビームラインBL47XUにて行った。測定で得られたホログラムパターンを基に原子像を表示し、その解析を行ったところ、Bi原子は同じV族元素であるAs原子の結晶格子位置に置換していることが示された。250℃という低温成長であるにもかかわらず、AsとBiの格子位置に関しては、350℃-400℃でMBE成長される高品質なGaAsBiと大きな差がないことが原子分解能レベルで明らかになった。

また、今後のXFH測定の温度依存性測定に向けて、Photon Factory(PF)のビームラインBL6Cでも低温成長GaAsBiの測定を行った。この場合の試料は、SPring-8とPFの放射光強度差を考慮し、膜厚を2 μm、Bi組成は3.1%としてMBE成長したものである。しかし、このBi組成では、PFにおいては明瞭なBi原子のホログラムパターンを得ることはできなかった。今後のPFでのXFH測定においては、Bi組成を増加させたGaAsBiを準備する必要があることが予備検討の結果として判明した。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 備考 (2件)

  • [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
  • [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] 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] 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] Molecular beam epitaxial growth of III-V-bismide 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
  • [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
      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
      2022 実績報告書 2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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