スパッタエピタキシーによる革新的エキシトンデバイスの実現と励起子輸送機構の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01206
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 板垣 奈穂 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (60579100)
• 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)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: エキシトントランジスタ / ZION / スパッタリング / エピタキシャル成長 / プラズマプロセス

研究実績の概要

本研究は，励起子デバイス実現のための高精度フラックス制御スパッタリング法を開発するとともに，励起子輸送の基礎学理を追求することを目的としている．励起子をキャリアとする革新デバイスの実現においては当然，デバイスグレードの材料を用意する必要がある．本研究では，まずは高品質プロセス技術の確立が重要との思想のもと，それを実現するためのスパッタエピタキシー法の開発に力点を置いた．成果としては，「高精度フラックス制御スパッタリング装置」を開発し，これに O,N 原子数制御のための高密度ラジカル源を重畳，さらに真空紫外吸収分光装置でそれら原子の絶対数密度モニタリングすることで，各種原子の蒸発レートの高精度制御に成功した．これにより， ①サファイア基板上への高品質単結晶成長，②励起子トランジスタにおけるゲートへの光照射によるスイッチング，という目標を達成するとともに，研究開始当初，1.5-3.4 eVであったバンドギャップ制御範囲を1.5-6.0 eV にまで広げることに成功した．なお①については，代表者発案の新規結晶成長モード「逆 Stranski-Krastanov」を用いて実現した．格子不整合系の結晶成長では，膜中の格子歪みにより最終的に 3次元島が形成され，単結晶膜を作製することは困難であった．そこで代表者は，歪を緩和するナノ結晶粒を面内外の配向性を揃えたまま高密度に配置し，その表面に原子平坦性をもたせることが出来れば，これを緩和層とした単結晶成長が実現すると考えた．このような緩和層の作製は従来不可能であったが，非固溶系の不純物により表面エネルギーを制御することでこれに成功した．さらに，電界によるエキシトン輸送モデルについて，デバイスシミュレーションを用いた初期検討を行なった．その結果，両極性拡散と不均一電界中での双極子の並進運動が励起子の輸送機構である可能性を示した．

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Sputtering Growth of Metal Oxynitride Semiconductors for Excitonic Devices (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Narishige, N. Itagaki, M. Shiratani
  • 雑誌名: Proc. 5th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Yb3+/Ho3+ co-doped Y2O3 nanoparticles and its application to dye sensitized solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Chawarambwa Fadzai Lesley、Putri Tika Erna、Kamataki Kunihiro、Shiratani Masaharu、Koga Kazunari、Itagaki Naho、Nakamura Daisuke
  • 雑誌名: Journal of Molecular Structure 巻: 1228 ページ: 129479～129479
  • DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.129479
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Activated Carbon Counter Electrode on Bifacial Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs) (2021)
  • 著者名/発表者名: Putri Tika Erna、Hao Yuan、Chawarambwa Fadzai Lesley、Seo Hyunwoong、Son Min Kyu、Kamataki Kunihiro、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: 1016 ページ: 863～868
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1016.863
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of surface morphologies of substrates on the epitaxial growth of magnetron-sputtered (ZnO) x (InN)1-x films (2020)
  • 著者名/発表者名: Narishige Ryota、Kaneshima Kentaro、Yamashita Daisuke、Kamataki Kunihiro、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Itagaki Naho
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: SAAB02～SAAB02
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abba0c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene-Si3N4 nanocomposite blended polymer counter electrode for low-cost dye-sensitized solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Chawarambwa Fadzai Lesley、Putri Tika Erna、Son Min-Kyu、Kamataki Kunihiro、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 758 ページ: 137920～137920
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2020.137920
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Size and flux of carbon nanoparticles synthesized by Ar+CH4 multi-hollow plasma chemical vapor deposition (2020)
  • 著者名/発表者名: Hwang Sung-Hwa、Okumura Takamasa、Kamataki Kunihiro、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 109 ページ: 108050～108050
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2020.108050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time of Flight Size Control of Carbon Nanoparticles Using Ar+CH4 Multi-Hollow Discharge Plasma Chemical Vapor Deposition Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Hwang Sung Hwa、Koga Kazunori、Hao Yuan、Attri Pankaj、Okumura Takamasa、Kamataki Kunihiro、Itagaki Naho、Shiratani Masaharu、Oh Jun-Seok、Takabayashi Susumu、Nakatani Tatsuyuki
  • 雑誌名: Processes 巻: 9 ページ: 2～2
  • DOI: 10.3390/pr9010002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low-stress diamond-like carbon films containing carbon nanoparticles fabricated by combining rf sputtering and plasma chemical vapor deposition (2020)
  • 著者名/発表者名: Hwang Sung-Hwa、Okumura Takamasa、Kamataki Kunihiro、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Nakatani Tatsuyuki、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: 100906～100906
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abbb20
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma Treatment Effect on the Paramagnetic Species of Barley Seed Radical's Intensity: An EPR study (2020)
  • 著者名/発表者名: Attri Pankaj、Teruki Anan、Arita Ryo、Okumura Takamasa、Tanaka Hayate、Yamashita Daisuke、Matsuo Kayo、Itagaki Naho、Kamataki Kunihiro、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Kuchitsu Kazuyuki、Ishibashi Yushi
  • 雑誌名: Plasma Medicine 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1615/PlasmaMed.2020036353
  • 査読あり
• [学会発表] （仮）Sputter epitaxy through “inverse” SK mode for a new class of excitonic devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: MRS Fall 2021 Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 非晶質（仮）ZnON膜からの固相結晶化ZnO膜の形成とシード層としての効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] スパッタエピタキシー法を駆使したZnO系新材料の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] スパッタエピタキシーによる新規酸窒化物半導体材料の作製とエキシトンデバイスへの応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂
  • 学会等名: 東工大フロンティア材料研究所講演会「複合アニオン酸化物の新電子機能とデバイス研究の最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] Structural and Optical Properties of ZnMgO Films on Sapphire Substrates Fabricated by Sputter Epitaxy (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Takahashi, Y. Nakamura, S. Urakawa, D. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: ICMAP 2020 & ISFM 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Sputter deposition of low resistive amorphous In2O3:Sn films using nitrogen mediate amorphization method: Effects of nitrogen flow rate (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Mido, S. Urakawa, D. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: ICMAP 2020 & ISFM 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of surface polarity of ZnO substrates on epitaxial growth of magnetron sputtered (ZnO)x(InN)1-x films (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Narishige, K. Kaneshima, S. Urakawa, D. Yamashita, K. Kamataki, T. Okumura, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: ICMAP 2020 & ISFM 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Sputter deposition of ZnAlO films with tunable bandgaps from 3.4 to 6.1 eV (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Urakawa, K. Kaneshima, R. Narishige, D. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, K. Koga, M. shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: ICMAP 2020 & ISFM 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of high-quality (ZnO)x(InN)1-x films by RF magnetron sputtering using a two-step growth process (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Kaneshima, S. Urakawa, R. Narishige, D. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: ICMAP 2020 & ISFM 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Impact of surface morphologies of 3D island layers on the single crystal growth of magnetron sputtered ZnO films (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura, M. Kikuchi, D. Yamashita, K. Kamataki, T. Okumura, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: ICMAP 2020 & ISFM 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Sputter epitaxy through “inverse” SK mode for a new class of excitonic devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: 4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A novel semiconductor ZION for excitonic devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: Satellite meeting of AAPPS-DPP2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sputter deposition of low resistive amorphous In2O3:Sn films using impurity mediate amorphization method: Effects of substrate temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Midou, S. Urakawa, D. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: The 5th Asian Applied Physics Conference (Asian-APC)
  • 国際学会
• [学会発表] Bandgap Tuning of ZnMgO Films on Sapphire Substrates Fabricated by Sputter Epitaxy (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Takahashi, Y. Nakamura, S. Urakawa, D. Yamashita,T. Okumura, K. Kamataki, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: The 5th Asian Applied Physics Conference (Asian-APC)
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of substrate surface polarity on epitaxial growth of magnetron sputtered (ZnO)x(InN)1-xfilms (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Narishige, K. Kaneshima, D. Yamashita, K. Kamataki,T. Okumura, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 学会等名: The 5th Asian Applied Physics Conference (Asian-APC)
  • 国際学会
• [学会発表] Ar/N2スパッタリングによるサファイア基板上へのZnO単結晶成長：O-poorバッファー層の効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本翔剛, 髙橋大智, 中村優太, 山下大輔, 奥村賢直, 鎌滝晋礼, 古閑一憲, 白谷正治, 板垣奈穂
  • 学会等名: 令和2年度プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第24回支部大会
• [学会発表] スパッタエピタキシー法による(ZnO)X(InN)1-X膜の作製: 高温バッファー層の効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 寺澤寛, 金島健太郎, 成重椋太, 山下大輔, 奥村賢直, 鎌滝晋礼, 古閑一憲, 白谷正治, 板垣奈穂
  • 学会等名: 令和2年度プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第24回支部大会
• [備考] 九州大学研究者情報
  • URL: https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K003622/
• [備考] 九州大学大学院システム情報科学研究院 情報エレクトロニクス部門 板垣研究室
  • URL: http://plasma.ed.kyushu-u.ac.jp/~inorganic/