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2017 年度 実績報告書

分極制御による可視光応答・高耐久性窒化物半導体人工光合成デバイス

研究課題

研究課題/領域番号 15H02238
研究機関東京大学

研究代表者

杉山 正和  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90323534)

研究分担者 藤井 克司  北九州市立大学, 付置研究所, 教授 (80444016)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード光触媒 / 化合物半導体 / 分極制御 / 有機金属気相成長
研究実績の概要

前年度までに達成したAlN分極制御層を挿入したGaN光カソードの動作実証に続き,光照射のみで外部バイアスを印加せずに水の分解・水素生成を可能にするための特性改善を試みた.まず,GaN表面(電解液との界面)から溶液中のプロトンへの電子移動が電流を律速している傾向がみられたため,GaN表面に電気化学堆積法によりPt粒子を導入した.その際,光触媒として動作させる際と同様の光照射条件下で電気化学体積を行うことで,GaN表面のうちでも電子が蓄積しやすいサイトに選択的にPtを導入し,GaNに存在する結晶欠陥の影響を低減することに成功した.
また,分極制御層に関して,従来は歪み由来のピエゾ電界を最大化するべくGaNと格子定数差が大きい純AlNを成長すべく結晶成長温度の低温化などの工夫を施してきたが,GaN上に成長した純AlNは格子緩和しやすく,理論で予測されるほどの電解を得ることは難しいことが判明した.そこで,格子定数差よりも格子緩和せずに結晶成長できる可能性を優先して分極制御層をGaが0.3程度含まれるAlGaNに変更して,光カソード構造の結晶成長を再度試みた.AlGaN分極制御層の採用により,結晶成長装置からのGaのクロスコンタミネーションを気にせずに高温成長することが可能になり,分極制御層の格子緩和を抑制するのみならず結晶欠陥の低減も同時に達成できた.これらの改良により外部バイアス無しの2電極系において水の光電気化学分解を行うことが可能となった.
一方,Ptを含む表面修飾の導入によりもたらされるバンド端位置と溶液中の酸化還元電位との相対関係の変化を解析するため,光誘起オープンサーキットポテンシャルの光強度依存性から電解液/GaN界面のバンドアラインメントを解析する手法を構築した.この解析によれば,粒子上Ptによる表面修飾はバンドアラインメントにはほとんど影響しないことが判明した.

現在までの達成度 (段落)

29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

29年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Effects of hydrogen etching on stress control in AlN interlayer inserted GaN MOVPE on Si2017

    • 著者名/発表者名
      Liu Cai、Kumamoto Akihito、Suzuki Michihiro、Wang Hongbo、Sodabanlu Hassanet、Sugiyama Masakazu、Nakano Yoshiaki
    • 雑誌名

      Semiconductor Science and Technology

      巻: 32 ページ: 075003~075003

    • DOI

      10.1088/1361-6641/aa6b86

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improved luminescence from InGaN/GaN MQWs by reducing initial nucleation density using sputtered AlN on sapphire substrate2017

    • 著者名/発表者名
      Wang Hongbo、Sodabanlu Hassanet、Daigo Yoshiaki、Seino Takuya、Nakagawa Takashi、Sugiyama Masakazu
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: 465 ページ: 12~17

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2017.02.034

    • 査読あり
  • [学会発表] Band Alignment at n-GaN/Electrolyte Interface Explored by Photo-Induced Offset of Open-Circuit Potential for Efficient Water Splitting2017

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Imazeki, Yohei Iwai, Akihiro Nakamura, Kayo Koike, Shin-ichiro Sato, Takeshi Ohshima, Katsushi Fujii, Masakazu Sugiyama and Yoshiaki Nakano
    • 学会等名
      ECS Trans. 2017 volume 77, issue 4, 25-30, doi: 10.1149/07704.0025ecst
    • 国際学会
  • [学会発表] Photo-Induced Gain of Open-Circuit-Potential (OCP) in GaN Photoelectrodes for Characterizing Defects and Photoelectrochemical Activity2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Imazeki, Y. Iwai, A. Nakamura, K. Koike, K. Watanabe, K. Fujii , M. Sugiyama and Y. Nakano
    • 学会等名
      MRS Spring Meeting, ES7.9.03
    • 国際学会
  • [学会発表] Polarization engineered photocathode using InGaN/AlN heterostructure for zero-bias solar water splitting2017

    • 著者名/発表者名
      A. Nakamura, H. Maruyama, Y. Nakano, K. Fujii, M. Sugiyama
    • 学会等名
      Material and Device Innovations for the Practical Implementation of Solar Fuels (SolarFuel17), Sep 4-6, Barcelona, 2017, SF1.4.1-7
    • 国際学会
  • [学会発表] Pt co-catalyst by photo-electrodeposition on tandem nitride semiconductor photocathode for zero-bias solar water splitting2017

    • 著者名/発表者名
      H. Maruyama, A. Nakamura, Y. Nakano, K. Fujii, M. Sugiyama
    • 学会等名
      Material and Device Innovations for the Practical Implementation of Solar Fuels (SolarFuel17), Sep 4-6, Barcelona, 2017, SF1.4.2-5
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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