半導体・酸化物複合ナノワイヤ材料の確立と光触媒応用

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H05970
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 石川 史太郎 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 准教授 (60456994)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: ナノワイヤ / 化合物半導体 / 分子線エピタキシー

研究実績の概要

本研究では物質として、I. 化合物半導体GaAs/AlGaAs、このAlGaAsを酸化させて作製するII.アルミナ系酸化物(AlGaOx)、およびIII. 酸化チタン(TiOx)のナノスケール機能に注目し、これらを組み合わせた新ナノワイヤ材料を確立し、光触媒応用することを最終目的として研究を実施している。申請者らは近年、分子線エピタキシー法で結晶成長したSi基板上GaAs/AlGaAsコア-シェル型ナノワイヤを、選択水蒸気酸化して作製したナノスケールの半導体・酸化物複合材料、GaAs/AlGaOxコア-シェル型ナノワイヤの形成が可能であることと、AlGaOx層のナノ粒子物性による白色発光機能を見出した。
本研究期間中には、GaAs/AlGaOx/TiOxヘテロ構造ナノワイヤの高精度・高品質合成手法を確立し、その光触媒効果とpnダイオード機能を実証する。具体的には、まず、①試料作製技術の確立として、高品質GaAs/AlGaOx/TiOヘテロ構造ナノワイヤ作製のため、結晶成長と酸化技術を確立する。次に、②特性の把握のため、各構成層の構造・光学・電気物性を詳細に把握し、その後複合構造の特性を調べる。最後に、③デバイス応用として、デバイスを実際に作製し、光触媒効果とpnダイオード特性を実証する。
着手一年目となる今年度は、主に①の試料作製技術確立を主に行った。デバイス応用に不可欠な高精度GaAs/AlGaAsナノワイヤの成長と、その水蒸気酸化についてSi基板上のより大面積で制御性よく実現することを目指した。その結果、基板表面を覆いつくす大面積のナノワイヤ群を形成することに成功し、それらからの室温での良好な白色発光を観測した。さらに、デバイス応用に不可欠なNパッシベーションにより、初めてGaAsNナノワイヤからのレーザー発振観測に成功した。

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基板上で基板表面を覆いつくす大面積のGaAs/AlGaOxコア-シェルナノワイヤ群を形成することに成功し、それらからの室温での良好な白色発光を観測した。この結果はAdvanced Optical Materials誌のFrontispieceとして採用されるなど、確かな雑誌報告とその中でもハイライトされる評価を得ることができた。[ F. Ishikawa*, P. Corfdir, U. Jahn, O. Brandt, Advanced Optical Materials, 4, 2017, 2016. , Also highlighted as Frontispiece. ]
さらに、表面積の大きなGaAsナノワイヤのデバイス応用に対して不可欠となる表面不活性化（パッシベーション）についてもGaAsに窒素を導入したGaAsN混晶を用いることで成功した。デバイス応用に不可欠なこの窒素による表面パッシベーションにより、世界で初めてGaAsNナノワイヤからのレーザー発振観測に成功した。同結果は、スウェーデン・リンンショピングループとの共同研究成果としてNano Letters誌に掲載された。[Shula Chen, Mattias Jansson, Jan E. Stehr, Yuqing Huang, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova, Nano Letters, 17, 1775, 2017. ]

今後の研究の推進方策

初年度の研究により、①Si基板上に白色発光する大面積AlGaOx/GaAsナノワイヤ形成と、②光学特性の劣化を防ぐ窒素パッシベーション技術を確立することができた。今後は、これら技術をさらに高度に高める。さらに目的の光触媒応用に向けて、これらナノワイヤ試料にTiO層を形成し、その光触媒機能が確かに発現する条件を見出していく。また、それら試料の正確な物性評価に取り組み、研究報告を随時行っていく。

研究成果

• [雑誌論文] Material conversion of GaAs nanowires (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nishioka, Hidetoshi Suzuki, Kentaro Sakai, Fumitaro Ishikawa
  • 雑誌名: Physica Status Solidi b 巻: 254 ページ: 1600522-1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1002/pssb.201600522
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dilute Nitride Nanowire Lasers Based on a GaAs/GaNAs Core/Shell Structure (2017)
  • 著者名/発表者名: Shula Chen, Mattias Jansson, Jan E. Stehr, Yuqing Huang, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 17 ページ: 1775-1781
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b05097
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] White-Light Emitters: (Al,Ga)Ox Microwire Ensembles on Si Exhibiting Luminescence over the Entire Visible Wavelength Range (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaro Ishikawa, Pierre Corfdir, Uwe Jahn, Oliver Brandt
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 4 ページ: 2016-2016
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adom.201670068
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] (Al,Ga)Ox Microwire Ensembles on Si Exhibiting Luminescence over the Entire Visible Wavelength Range (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaro Ishikawa, Pierre Corfdir, Uwe Jahn, Oliver Brandt
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 4 ページ: 2017-2020
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adom.201600695
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Defect formation in GaAs/GaNxAs1-x core/shell nanowires (2016)
  • 著者名/発表者名: Jan E. Stehr, Shula Chen, Mattias Jansson, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 109 ページ: 203103-1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4967721
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photoacoustic spectroscopy of absorption edge for GaAsBi/GaAs nanowires grown on Si substrate (2016)
  • 著者名/発表者名: Szymon J. Zelewski, Jan Kopaczek, Wojciech M. Linhart, Fumitaro Ishikawa, Satoshi Shimomura, Robert Kudrawiec
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 109 ページ: 182106-1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4966901
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Strongly polarized quantum-dot-like light emitters embedded in GaAs/GaNAs core/shell nanowires (2016)
  • 著者名/発表者名: S Filippov, M Jansson, J E Stehr, J Palisaitis, P Persson, F Ishikawa, W M Chen, I Buyanova
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 8 ページ: 15939-15947
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1039/C6NR05168E
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Core shell carrier and exciton transfer in GaAs/GaNAs coaxial nanowires (2016)
  • 著者名/発表者名: Shula Chen, Mattias Jansson, Stanislav Filippov, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science & Technology B 巻: 34 ページ: 04J104-1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1116/1.4953184
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Additional GaAs related nanowires (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaro Ishikawa
  • 学会等名: JSPS workshop on Japan-Sweden frontiers in spin and photon functionalities of semiconductor nanostructures,
  • 発表場所: Jozankei Grand Hotel, Sapporo, Japan.
  • 年月日: 2016-08-30 – 2016-08-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel GaNAs and GaNP-Based Nanowires ・Promising Materials for Optoelectronics and Photonics (2016)
  • 著者名/発表者名: Irina Buyanova, Fumitaro Ishikawa, Charles Tu, Weimin Chen
  • 学会等名: IEEE NANO 2016- 16th International Conference On Nanotechnology
  • 発表場所: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • 年月日: 2016-08-22 – 2016-08-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GaAsBi Heterostructured Nanowires Grown by Molecular Beam Epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaro Ishikawa and Satoshi Shimomura
  • 学会等名: The 7th International Workshop on Bismuth-Containing Semiconductors
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-07-24 – 2016-07-27
  • 招待講演