| 研究領域 | 特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス |
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| 研究課題/領域番号 |
16H06416
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| 研究機関 | 名城大学 |
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研究代表者 |
上山 智 名城大学, 理工学部, 教授 (10340291)
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| 研究分担者 |
竹内 哲也 名城大学, 理工学部, 教授 (10583817)
岩谷 素顕 名城大学, 理工学部, 准教授 (40367735)
本田 善央 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60362274)
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| 研究期間 (年度) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| キーワード | 窒化物半導体 / SiC / 特異構造 / ナノ構造 / 量子効果 / 結晶成長 / 半導体発光デバイス / 不純物 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では，本研究グループがこれまで開拓してきた窒化物半導体によるマルチスケール特異構造の作製機構を理解し学問的に発展させ、さらには新機能デバイスの創出を目指す。
現在、本研究は、窒化物系量子殻・ナノワイヤ結晶の作製と成長機構、サブナノスケールのポーラスSiC結晶の作製と不純物レベル間の光物性評価、X線その場観察を利用したヘテロ接合形成時の界面特異構造の形成機構解明、GaN基板内のグロースピット等、多次元かつマルチスケールの特異構造の作製とその形成メカニズムの解明、また光物性制御に関する研究を推進中である。現在までに、GaNナノワイヤにおいて、形状が結晶成長条件に大きく依存すること、またその上の多重量子殻成長時には、GaNナノワイヤの形状（結晶面）に対応して、成長中の原子の面間拡散が生じる場合があり、組成や膜厚に大きな分布を生じさせること、成長は基板から上方向への原子の拡散によるものではなく、ナノワイヤ先端から下方向への拡散によって進行することなど、結晶成長機構が徐々にわかってきた。X線その場観察においては、ヘテロ接合の成長時に、転位形成やマイクロクラックの生成が検出可能で、その成長機構の解明が進みつつある。特にヘテロ界面近傍での特異構造生成が、格子歪緩和に効果的であることが注目される。さらにGaN基板上ホモ接合GaN中のピット型特異構造においては、2種類のピット生成機構が存在し、成長条件によっては1種類のピットを完全に抑制できることがわかってきた。
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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
研究項目のひとつである窒化物系量子殻・ナノワイヤ結晶においては、結晶成長条件の確立に時間を要し、当初の計画よりやや遅れていた。しかし昨年度後半に成長条件がようやく確立でき、また安定性を維持するための調整方法もわかってきたため、それ以降の研究が順調に進み昨年度末には遅れを取り戻せたと考えられる。その他、多重量子殻成長時には、GaNナノワイヤの形状（結晶面）に対応して、成長中の原子の面間拡散が生じる場合があり、組成や膜厚に大きな分布を生じさせること、成長は基板から上方向への原子の拡散によるものではなく、ナノワイヤ先端から下方向への拡散によって進行することなど、結晶成長機構が徐々にわかってきた。X線その場観察においては、ヘテロ接合の成長時に、転位形成やマイクロクラックの生成が検出可能で、その成長機構の解明が進みつつある。特にヘテロ界面近傍での特異構造生成が、格子歪緩和に効果的であることが注目される。さらにGaN基板上ホモ接合GaN中のピット型特異構造においては、2種類のピット生成機構が存在し、成長条件によっては1種類のピットを完全に抑制できることがわかってきた。
以上のように、多次元マルチスケール特異構造の作製や成長機構の解明は、順調に推移していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度も引き続き、量子殻・ナノワイヤ特異構造（上山、竹内）、ポーラスSiC特異構造（上山）、X線その場観察によるヘテロ接合特異構造（岩谷）、GaN基板上ホモ接合特異構造（本田）の研究を継続、発展させ、成長機構や物性の解明を推進する。量子殻・ナノワイヤ特異構造では、竹内を中心に垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）の活性領域に適用するための検討に着手する。X線その場観察によるヘテロ接合特異構造においては、これまで行ってきたAlGaN/AlNヘテロ接合に加えて、GaInN/GaNヘテロ接合の格子緩和機構も対象に加える。GaN基板上ホモ接合特異構造は、さらに、以下の領域内の研究者との共同研究を開始し、特異構造形成理論および詳細な物性を解明する。なお、研究の実施体制については研究代表者、研究分担者の他、博士研究員のHanや、多くの大学院生を参加させる。
平成31年度には、これまでに解明できた特異構造結晶の成長機構、またその総合的な物性の理解を発展させて、応用を意識した研究への展開に重点を移す。すなわち、特異構造が役に立つものだと実証することである。例えば、量子殻がVCSEL用活性領域として、飛躍的な性能向上に貢献できることを示すこと、ポーラスSiCが優れた発光効率と演色性を併せ持つ、あるいは、ヘテロ・ホモ接合における界面近傍の特異構造が格子緩和を促し、格子不整合を解消する、などである。
さらに平成32年度には、研究成果を総括して、多次元・マルチスケール特異構造の学理構築を目指す。すなわち、特異構造の次元、スケール、種類を整理体系化し、各々の形成機構や物性に対する効果を理論、実験の両面から明確に説明可能とするまでの理解を完了する。また、最終的に白色LED、長波長LED、半導体レーザなどの半導体光デバイスへの応用により、高性能化の実証を行う。
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