• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2014 年度 実績報告書

化合物半導体ナノワイヤによる光デバイス応用

研究課題

研究課題/領域番号 23221007
研究機関北海道大学

研究代表者

福井 孝志  北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (30240641)

研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2016-03-31
キーワード半導体ナノワイヤ / 発光ダイオード / 太陽電池
研究実績の概要

グリーンギャップを埋める新しい緑色材料として、ウルツ鉱型構造を持つGaPが注目されている。そこで完全なウルツ鉱構造が得られているInPナノワイヤ側面に結晶構造を転写させることによりウルツ鉱構造のAlGaPシェル層を作製した。現在までWZ-InP/AlGaPのコアシェルナノワイヤのカソードルミネッセンスから、緑色発光(約2.3eV)が得られている。また、ウルツ鉱に転移しやすいAlInP系についてもInPコアに対してシェル成長を行い、X線回折、電子線回折からウルツ鉱構造を確認した。AlInP系は主に黄色発光領域に当たる。さらに、ウルツ鉱GaPの薄膜成長もウルツ鉱GaN基板を用いて試みた。その結果GaN(1100)面上のAlInP成長においては、X線回折から、ウルツ鉱による反射が観測されている。GaAs系ナノワイヤ太陽電池に関してはさらに、タンデム構造を目標に、多層構造の第2層目にあたるInGaAsの軸方向pn接合太陽電池を作製した。pn接合の形成はEBIC像から確認し、変換効率7.14%を得た。さらに、フレキシブル太陽電池を作製する目的で、PDMSを用いてナノワイヤを基板から剥離する技術を確立するとともに、基板の再利用も試みた。ナノワイヤトランジスタに関しては、シリコン基板に変わる将来型のIII=Vのnチャネル/Geのpチャネルからなる複合型CMOSを目指してGe基板上にIII-V族(主にInAs)ナノワイヤの結晶成長技術の確立を図った。さらにGe基板上にInAsナノワイヤトランジスタを作製した。

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

・結晶成長においては、当初基板として化合物半導体及びシリコンを計画していたが、シリコン基板に変わる将来型のIII-Vのnチャネル/Geのpチャネルからなる複合型CMOSを目指してGe基板上にIII-V族(主にInAs)ナノワイヤの結晶成長技術の確立を図った。ゲルマニウム表面の成長前の処理条件、ナノワイヤの成長初期のFME法の導入など結晶成長条件の最適化により、シリコン基板と同様の高均一なIII-V族半導体ナノワイヤの作製に成功した。
・光デバイス応用では、当初のシリコン上のLEDに加えて、新たに「グリーンギャップ」を埋めるために、新緑色発光材料として結晶構造を人為的に閃亜鉛鉱からウルツ鉱に変えたGaPコアシェルナノワイヤを作製し、カソードルミネッセンスから緑色発光を確認した。さらに結晶成長が容易なAlInP系のウルツ鉱構造をシェル層として、InPウルツ鉱ナノワイヤコアの外壁に横方向成長させることに成功した。結晶構造は、X線回折、電子顕微鏡の回折像より確認した。
・ナノワイヤ太陽電池では、InGaAsの軸方向pn接合太陽電池を作製し、変換効率7.14%を得た。さらに、PDMSを用いてナノワイヤを基板から剥離する技術を確立するとともに、基板の再利用も試みた。
・ナノワイヤの電子デバイスに関しては、シリコンに加えゲルマニウム上の縦型ナノワイヤトランジスタの作製に成功した。
・これらの成果は、6編の学術論文にまとめて対外発表を行うとともに、国際会議の招待講演も10件おこなって、研究成果の外部発信に努めた。さらに26年度は、特許出願も外国出願が4件で、産業財産権確保の面でも大きな成果となった。

今後の研究の推進方策

異種基板としてはシリコンばかりでなく、ゲルマニウム基板上へのナノワイヤの成長にも成功したが、これらの界面の原子構造及び、ナノワイヤとゲルマニウムとの間のバンド不連続などの基本的な性質を明らかにする。
発光素子応用では、緑色発光材料として、ナイトライド系に代わる、全く新しいウルツ鉱構造を持つGaP系のナノワイヤLEDを目指す。すでに低温ではあるが、カソードルミネッセンスで緑色発光を確認しており、量子井戸構造などの工夫により、AlGaInPの組成を変えることで、赤緑青の3色の発光を目指す。
ナノワイヤ太陽電池では、基板からのナノワイヤアレイの剥離技術にある程度目途が立ったことから、フレキシブル太陽電池の作製を試みる。基板から剥離したナノワイヤの両面に電極を付けることで、10%程度の発電効率をもつ太陽電池を目指す。剥離技術を用いることで、原料使用効率が3桁向上するなど元素利用効率の著しい向上が図れる。さらに基板の再利用が図れることで、最も微細な工程である選択成長マスクの作製が不要になり、低コスト化で実用化に目途がたつ。また、高効率化を達成するため、まずはGaAs(1.4eV)/InGaAs(1.1eV)の2層タンデム構造の作製と特性評価から始める。太陽電池特性のうち開放電圧(Voc)が、それぞれの部分の足し合わせになるなどタンデムの効果を明らかにする。
電子デバイス等の新展開では、シリコン上のナノワイヤFETの作製に (001)基板を導入する。結晶学的には(001)シリコン基板に55度傾いた方向にInAsナノワイヤが成長する。結晶成長条件を最適化するとともにデバイスプロセスを確立しトンネルFETを試作する。また、Geをベースとしたpチャンネル形成に向けて、III-VナノワイヤのGe(111)基板上へのトランジスタ作製技術の確立を図る。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (15件) (うち招待講演 10件) 図書 (1件) 産業財産権 (4件) (うち外国 4件)

  • [雑誌論文] Application of free-standing InP nanowire arrays and their optical properties for resource saving solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      Muyi Chen, Eiji Nakai, Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 8 ページ: 012301-1-3

    • DOI

      org/10.7567/APEX.8.012301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Growth of wurtzite GaP in InP/GaP core-shell nanowires by selective-area MOVPE2015

    • 著者名/発表者名
      Fumiya Ishizaka, Yoshihiro Hiraya, Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: 411 ページ: 71-75

    • DOI

      org/10.1016/j.jcrysgro.2014.10.024

    • 査読あり
  • [雑誌論文] InGaAs axial-junction nanowire-array solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      5.Eiji Nakai, Muyi Chen, Masatoshi Yoshimura, Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 54 ページ: 015201-1-4

    • DOI

      doi.org/10.7567/JJAP.54.015201

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recent progress in integration of III-V nanowire transistors on Si substrate by selective-area growth2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka, Takashi Fukui
    • 雑誌名

      Journal of Physs D: Applied Physics

      巻: 47 ページ: 394001-1-13

    • DOI

      org/10.1088/0022-3727/47/39/394001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vertical Tunnel FETs Using III-V Nanowire/Si Heterojunctions2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka, Takashi Fukui
    • 雑誌名

      ECS Transaction

      巻: 61 ページ: 81-89

    • 査読あり
  • [雑誌論文] III-V族化合物半導体ナノワイヤ太陽電池2014

    • 著者名/発表者名
      福井孝志、吉村正利、中井栄治、冨岡克広
    • 雑誌名

      日本結晶成長学会誌

      巻: 41 ページ: 29-34

    • 査読あり
  • [学会発表] Selective-area growth of III-V nanowires on Si and their applications2015

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 学会等名
      8th Nanowire Growth Workshop/Nanowire 2014
    • 発表場所
      Strijp-S Eindhoven, Eindhoven, Germany
    • 年月日
      2015-08-25 – 2015-08-29
    • 招待講演
  • [学会発表] III-V nanowires on patterned Si substrates and their applications2015

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 学会等名
      10th International Workshop on Epitaxial Semiconductor on Patterned Substrates and Novel Index Surfaces (ESPS-NIS 2014)
    • 発表場所
      Trunseo International Academy, Traunkirchen,Austria
    • 年月日
      2015-07-20 – 2015-07-23
    • 招待講演
  • [学会発表] III-V semiconductor hetero-structure nanowires and their photonic applications2015

    • 著者名/発表者名
      K. Tomioka, E. Nakai, F. Ishizaka and T. Fukui
    • 学会等名
      WE Heraeus Seminar on III-V Nanowire Photonics
    • 発表場所
      Physikzentrum Bad Honnef, Bad Honnef , Germany
    • 年月日
      2015-03-22 – 2015-03-25
    • 招待講演
  • [学会発表] Vertically aligned semiconductor nanowires and their applications2015

    • 著者名/発表者名
      T. Fukui, E. Nakai, F. Ishizaka and K. Tomioka
    • 学会等名
      42nd Conference on the Physics and Chemistry of Surfaces and Interfaces
    • 発表場所
      Snowbird Resort, Utah, USA
    • 年月日
      2015-01-18 – 2015-01-22
    • 招待講演
  • [学会発表] III-V Compound Semiconductor Nanowire Solar Cells2014

    • 著者名/発表者名
      Takashi Fukui1, Eiji Nakai1, MuYi Chen1 and Katsuhiro Tomioka
    • 学会等名
      Topical Meetings on Optical Nanostructures and Advanced Materials for Photovoltaics (PV)
    • 発表場所
      Australian National University, Canberra, Australia
    • 年月日
      2014-12-02 – 2014-12-04
    • 招待講演
  • [学会発表] Selective-Area Growth of III-V Nanowires and Their Devices2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka, Fumiya Ishizaka, Eiji Nakai, Muyi Chen, Takashi Fukui
    • 学会等名
      MRS fall meeting 2014
    • 発表場所
      Hynes Convention Center, Boston, USA
    • 年月日
      2014-11-30 – 2014-12-05
    • 招待講演
  • [学会発表] III-V Semiconductor nanowires and their photovoltaic applications2014

    • 著者名/発表者名
      T. Fukui, E. Nakai, F. Ishizaka and K. Tomioka
    • 学会等名
      3rd biennial Conference of the Combined Australian Materials Societies
    • 発表場所
      University of Australia, Sydoney, Australia
    • 年月日
      2014-11-26 – 2014-11-28
    • 招待講演
  • [学会発表] Integration of Vertical InAs Nanowires on Ge(111) by Selective-Area MOVPE2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka, Fumiya Ishizaka, Eiji Nakai, Takashi Fukui
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2014)
    • 発表場所
      Tsukuba Conference Center, Tsukuba
    • 年月日
      2014-09-08 – 2014-09-11
  • [学会発表] III-V nanowire channel and III-V/Si heterojunction for low-power switches2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 学会等名
      IEEE EUROSOI-ULIS 2015
    • 発表場所
      Aula Prodi Piazza San Gionvanni in Monte, Bologna, Italy
    • 年月日
      2014-07-26 – 2014-07-28
    • 招待講演
  • [学会発表] Selective-area growth of vertical InAs nanowires on Ge(111)2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka, Fumiya Ishizaka, Eiji Nakai, Takashi Fukui
    • 学会等名
      17thInternational Conference on Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-XVII)
    • 発表場所
      EPFL, Lausanne, Switzerland
    • 年月日
      2014-07-13 – 2014-07-18
    • 招待講演
  • [学会発表] InGaAs axial junction nanowire array solar cells with Sn-doped contact layer2014

    • 著者名/発表者名
      E. Nakai, M. Yoshimura, K. Tomioka, and T. Fukui
    • 学会等名
      17th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
    • 発表場所
      EPFL, Lausanne, Switzerland
    • 年月日
      2014-07-13 – 2014-07-18
  • [学会発表] Selective-area growth of wurtzite InP/AlGaP core-shell nanowires2014

    • 著者名/発表者名
      J. Ishizaka, Y. Hiraya, K. Tomioka, and T. Fukui
    • 学会等名
      17th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
    • 発表場所
      EPFL, Lausanne, Switzerland
    • 年月日
      2014-07-13 – 2014-07-18
  • [学会発表] Selective-area growth of InAs nanowire inside Si(100) and SOI substrates toward tunnel FET applications2014

    • 著者名/発表者名
      K. Tomioka, F. Ishizaka, and T. Fukui
    • 学会等名
      the 17th International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
    • 発表場所
      EPFL, Lausanne, Switzerland
    • 年月日
      2014-07-13 – 2014-07-18
  • [学会発表] Vertical Tunnel FETs Using III-V Nanowire/Si Heterojunctions2014

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Tomioka and Takashi Fukui
    • 学会等名
      225th ECS meeting
    • 発表場所
      Hilton Bonnet Creek、Orland, USA
    • 年月日
      2014-05-12 – 2014-05-13
    • 招待講演
  • [学会発表] Wurtzite InP/AlGaP Core-Shell Nanowires toward Direct Band Gap Transition2014

    • 著者名/発表者名
      F. Ishizaka, K. Tomioka, and T. Fukui
    • 学会等名
      MRS Spring Meeting 2014
    • 発表場所
      Moscone West, San Francisco, California, USA
    • 年月日
      2014-04-21 – 2014-04-25
  • [図書] Handbook of Crystal Growth, Vol I Chapter 18 "Growth of Semiconductor Nanocrystals"2015

    • 著者名/発表者名
      Tomioka K, Fukui T.
    • 総ページ数
      46
    • 出版者
      Elsevier
  • [産業財産権] トンネル効果トランジスタ、その製造方法およびスイッチ素子2014

    • 発明者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 権利者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT出願、PCT/JP2014/004175
    • 出願年月日
      2014-08-12
    • 外国
  • [産業財産権] トンネル効果トランジスタ、その製造方法およびスイッチ素子2014

    • 発明者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 権利者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      台湾出願、103127711
    • 出願年月日
      2014-08-13
    • 外国
  • [産業財産権] III-V族化合物半導体ナノワイヤ、電界効果トランジスタおよびスイッチ素子2014

    • 発明者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 権利者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT出願、PCT/K10102US
    • 出願年月日
      2014-10-31
    • 外国
  • [産業財産権] III-V族化合物半導体ナノワイヤ、電界効果トランジスタおよびスイッチ素子2014

    • 発明者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 権利者名
      冨岡克広、福井孝志
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      台湾出願、K10102TW
    • 出願年月日
      2014-10-31
    • 外国

URL: 

公開日: 2016-06-01  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi