| 研究課題/領域番号 |
18H01206
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
板垣 奈穂 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (60579100)
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| 研究分担者 |
白谷 正治 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (90206293)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | エキシトントランジスタ / ZION / 歪み量子井戸 / プラズマプロセス / ピエゾ電界 |
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| 研究実績の概要 |
H30年度は，エキシトントランジスタの実現に向け，サファイア基板上へのZIONエピタキシャル成長，ならびに，ZnO単結晶テンプレートを用いたZION/ZnOひずみ量子井戸の作製を行い，ゲートへの光照射によるエキシトン流のスイッチングを試みた．成果は以下の２点に集約される．
1) サファイア基板直上へのZIONエピタキシャル成長の実現とフォトルミネッセンス観測：これまでに，単結晶ZnOをテンプレートとすることで世界初となる ZIONの単結晶成長を実現し，強い青色および緑色発光を観測している．今年度は汎用基板であるサファイア基板直上（格子不整合率19-21%）におけるZIONエピタキシャル成長を世界で初めて実現した．またこのとき，ZION膜の表面高さ分布の時間発展が特異な振る舞いを示すことを見出した．具体的には，膜成長に伴い，シャープな分布から一旦，ブロードな分布に以降した後，再度シャープな分布に以降し，最終的に原子レベルで平坦な表面が形成された．これは，膜成長が3次元成長から2次元成長に移行したことを示しており，この成長モードの遷移により，格子不整合基板においてもエピタキシャル成長が実現したものと考えられる．
また，上記ZION膜にレーザ照射を行ったところ，強い青色―緑色発光を観測するに至った．
2) ゲートへの光照射による室温スイッチング:単結晶ZnOをテンプレートとしたZION/ZnO歪み量子井戸を形成し，ゲートへの光信号入力によるエキシトン流のスイッチングに成功した．このとき，量子井戸にピエゾ電界を誘起させると，On/Off比が２桁上昇することがわかった．これは，ピエゾ電界によりエキシトンの再結合が抑制され，再結合が起きる前に，信号光によるエキシトンの解離が生じたためと考えられる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では，電子－正孔がクーロン相互作用で結合した準粒子「エキシトン(励起子)」をキャリアとするトランジスタを，新材料(ZnO)x(InN)1-x（以下ZION）により実現するとともに，エキシトンの輸送機構を解明することを目的としている．
現在までに，高精度フラック制御スパッタにより，ZnOテンプレート上ZION歪み量子井戸を実現するとともに，汎用基板であるサファイア基板直上におけるZIONエピタキシャル成長に世界で初めて実現し，強い青色―緑色発光を観測している．また，障壁層材料としてあらたに(ZnO)x(AlN)1-x(以下ZAON)を開発した．さらに 上述の歪み量子井戸をチャネルとしたエキシトントランジスタを試作し，ゲートへの光照射によるスイッチングに成功しており，研究は順調に進展している．2019年度以降は上述のZION歪み量子井戸を用いて高温・長寿命エキシトンを実現し．これによりエキシトンの電界による輸送を解明するとともに，ZION量子井戸チャネルからなるデバイス作製を行い，ゲートへの電圧印加によるスイッチングの実現を目指す．また，新材料ZAONを障壁層としたピエゾ量子井戸の形成も試み，エキシトン輸送効率を最大化する量子井戸構造を獲得する．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後はZION歪み量子井戸を用いて高温・長寿命エキシトンを実現する．これによりエキシトンの電界による輸送を解明するとともに，ZION量子井戸チャネルからなるデバイス作製を行い，ゲートへの電圧印加によるスイッチングの実現を目指す．さらに代表者発見の新結晶成長モード「逆SK モード」を利用して，サファイアやSi等の汎用性基板上へのデバイス形成を行う．
以下に具体的な研究計画および目標を記す．
1. 新材料ZAONを障壁層に用いた歪み量子井戸の形成
これまでに単結晶ZnOテンプレート上にZION膜をコヒーレント成長させることで，歪み量子井戸の形成に成功している．今年度は2018年度に新たに開発した新材料(ZnO)x(AlN)1-x(以下ZAON)を障壁層としたピエゾ量子井戸の形成も試み，エキシトン輸送効率を最大化する量子井戸構造を獲得する．さらにこれらをチャネルとしたデバイス形成を行い，ゲートへの電圧印加によるエキシトン流スイッチングの実現を目指す．
2. エキシトン輸送機構の解明：項目1で得られるZION歪み量子井戸は，高温・長寿命エキシトンの実現を可能にし，従来ブラックボックスであったエキシトン輸送メカニズムを解明する格好の場となる．本項目では，上記エキシトントランジスタにおいて，ソース領域(S) にレーザーをスポット照射することでエキシトンを生成する．次に近接場光学顕微鏡とストリークカメラを用いて，エキシトンの再結合光を時間・空間ともに極めて高い分解能で検出する．これによりエキシトン輸送過程の詳細評価を行う．
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