広禁制帯幅ナノ構造を計測可能な時間・空間同時分解陰極線蛍光計測法の開発と応用

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02907
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 秩父 重英 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)
• 研究分担者: 小島 一信 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30534250)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 時間空間同時分解分光 / フェムト秒電子線 / カソードルミネッセンス / 電子顕微鏡

研究実績の概要

半導体量子構造や蛍光体において、ナノメートル領域で起こる発光の動的観測を実現するには、空間分解能と時間分解能を併せ持つ分光計測系が必要である。我々は、禁制帯幅が大きい物質にも電子-正孔対を励起することができるフェムト秒パルスレーザ励起フェムト～ピコ秒パルス光電子銃を構築して走査型電子顕微鏡(SEM)に組み込み、パルス電子線をナノメートル台の微小領域に集束する、日本に唯一の時間・空間同時分解カソードルミネッセンス(ＳＴＲＣＬ)測定系の高空間分解能化と高感度化を行っている。そしてこの装置を用い、ボイド等の構造欠陥や積層欠陥（面欠陥）、転位等の線欠陥、点欠陥が非輻射再結合寿命に与える影響と、ナノ構造サイズが輻射再結合寿命に与える影響を明らかにする研究を行ってきた。R1年度は最終年度であるためSTRCL装置の更なる高性能化とマテリアル計測に集中し、以下の成果を得た。
①フェムト秒パルスレーザ励起光電子銃の高輝度化のため、表面入射型金電極の裏面に排熱ホルダを装着して冷却効率を高め、電極直下で前年度比2倍の光電子強度を得た。
②リターディング機構の安定化と最適化を行い、跳ね返し電圧として最大2kV程度までの安定動作を確認した。その結果、空間分解能を損なわず、表面近傍のSEM像の解像度が向上した。
③ZnO/MgZnOナノ構造体、極性面および非極性面AlN、AlInN混晶薄膜、AlGaNナノ構造や六方晶BNのSTRCL計測を行い、深紫外線波長領域での時間空間同時分解分光データを得、各々の材料や構造体に特有の発光物理現象に関する新たな知見を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] North Carolina State University/Adroit Materials Inc.(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: North Carolina State University/Adroit Materials Inc.
• [雑誌論文] Spatio-time-resolved cathodoluminescence studies of wide-bandgap group-III nitride semiconductors (2020)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, Y. Ishikawa, K. Hazu, and K. Furusawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 (2) ページ: 020501 1-17
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab5ef4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Internal quantum efficiency of radiation in a bulk CH3NH3PbBr3 perovskite crystal quantified by using the omnidirectional photoluminescence spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, K. Ikemura, K. Matsumori, Y. Yamada, Y. Kanemitsu, and S. F. Chichibu
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 7 ページ: 071116 1-6
  • DOI: 10.1063/1.5110652
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In-plane optical polarization and dynamic properties of the near-band-edge emission of an m-plane freestanding AlN substrate and a homoepitaxial film (2019)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, K. Kojima, K. Hazu, Y. Ishikawa, K. Furusawa, S. Mita, R. Collazo, Z. Sitar, and A. Uedono
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 (15) ページ: 151903 1-5
  • DOI: 10.1063/1.5116900
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] MOVPE成長m面AlInN/GaNヘテロ構造における特異構造(3)-断面CL- (2020)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英,嶋紘平,小島一信
  • 学会等名: 2020年春季応用物理学会
• [学会発表] 高温アニールしたスパッタAlN上に成長させたAlNの陰極線蛍光評価(1) (2020)
  • 著者名/発表者名: 嶋紘平,中須大蔵,正直花奈子,上杉謙次郎,小島一信,上殿明良,三宅秀人,秩父重英
  • 学会等名: 2020年春季応用物理学会
• [学会発表] 高温アニールしたスパッタAlN上に成長させたAlNの陰極線蛍光評価(2) (2020)
  • 著者名/発表者名: 中須大蔵,嶋紘平,正直花奈子,上杉謙次郎,小島一信,上殿明良,三宅秀人,秩父重英
  • 学会等名: 2020年春季応用物理学会
• [学会発表] PVT成長AlN上にHVPE成長させたSi添加AlN基板の陰極線蛍光評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英,嶋紘平,小島一信,Baxter Moody,三田清二,Ramon Collazo,Zlatko Sitar,熊谷義直,上殿明良
  • 学会等名: 2020年春季応用物理学会
• [学会発表] Improvement in the luminescence property of hexagonal boron nitride grown by CVD on a c-plane sapphire substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: K.Hara, N. Umehara, K. Shima, K. Kojima, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 4th International Conference on Physics of 2D Crystals (ICP2C4)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact of vacancy complexes on the nonradiative recombination processes in III-N devices (2019)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, K. Shima, K. Kojima, S. Ishibashi, and A. Uedono
  • 学会等名: The 13th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-13)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of Al-vacancy complexes in AlN and high AlN mole fraction AlGaN alloys (2019)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, H. Miyake, and A. Uedono
  • 学会等名: th International Workshop on UV Materials and Devices (IWUMD-IV)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantification of external quantum efficiency for near-band-edge emission of freestanding h-BN crystals under photo-excitation (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, K. Watanabe, T. Taniguchi, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019 (CSW 2019), Spectroscopy & growth of h-BN II
  • 国際学会
• [学会発表] Photoluminescence studies of sequentially Mg and H ion-implanted GaN with various implantation depths and crystallographic planes (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Shima, H. Iguchi, T. Narita, K. Kataoka, K. Kojima, A. Uedono, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 13th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-13)
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved luminescence studies of indirect excitons in h-BN epitaxial films grown by chemical vapor deposition using carbon-free precursors (2019)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, N. Umehara, K. Takiguchi, K. Shima, K. Kojima, Y. Ishitani, and K. Hara
  • 学会等名: The 13th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-13)
  • 国際学会
• [学会発表] 時間空間分解カソードルミネッセンスによるワイドバンドギャップ半導体の所発光ダイナミクス評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英
  • 学会等名: 日本表面真空学会 2019年6月研究例会「電子ビーム技術の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] 窒化物半導体の時間空間分解カソードルミネッセンス評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英
  • 学会等名: 応用物理学会薄膜・表面物理研究会 第47回薄膜・表面物理セミナー 「半導体GaNの基礎と応用」
  • 招待講演
• [学会発表] 全方位フォトルミネセンス（ODPL）法を用いた半導体結晶の光物性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小島一信,秩父重英
  • 学会等名: ナノテスティング学会「第２５回Ｐ＆Ａ解析研究会」
  • 招待講演
• [学会発表] 気相成長m面自立AlN基板およびホモエピタキシャル層の偏光特性と発光ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英,小島一信,羽豆耕治,石川陽一,古澤健太郎,三田清二,R.Collazo,Z.Sitar,上殿明良
  • 学会等名: 2019年秋季応用物理学会
• [図書] 2020版 薄膜作製応用ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英
  • 総ページ数: 14
  • 出版者: (株)エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 978-4-86043-631-5
• [備考] 研究内容紹介
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/chichibu/html/research.html