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2013 年度 実績報告書

ワイドギャップ半導体結晶中の転位の運動特性と電子・光学物性の解明

研究課題

研究課題/領域番号 24246103
研究機関東北大学

研究代表者

米永 一郎  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20134041)

研究分担者 徳本 有紀  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (20546866)
大野 裕  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80243129)
沓掛 健太朗  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00463795)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード半導体物性 / 転位ナノ物性 / ワイドギャップ半導体 / 転位動特性 / 転位電子光学特性
研究概要

本研究は、III-Vナイトライド、II-VI亜鉛系化合物、IV族化合物等のワイドギャップ半導体結晶について、(1)転位の運動機構を解明すること、(2)転位の原子構造と電子構造・物性、さらに熱処理や電子・光・エネルギー励起による変性を調べ、転位に付随する電気・光学特性を明らかにすること、(3)ワイドギャップ半導体における転位の運動と電子・光学物性の両面について基礎知識を確立し、さらに転位特性がそれぞれの結晶で発現する機構を、Si、GaAs等を含めた全半導体での基礎学理として体系化し、実用化の指針を提示することを目的とする。
本年度は(1)InN混晶について、ナノインデンテーション法によりその硬度と弾性率の決定に成功した。AlxGa1-xN混晶(0<x<1) 混晶について、GaNからAlNまでの組成域の試料のナノインデンテーション法評価によりその硬度特性を明らかにし混晶に固有の現象を見出した。(2)ZnO結晶において、インデンテーション時に発生する転位が運動するすべり面が{10-11})(0001)ないし{10-10}であり、そのバーガースベクトルは常に<1-210>であると特定に成功した。(3)GaN結晶中のフレッシュな転位に関する電気・光学特性に関する知見を総括し、転位の電荷状態を特定するとともに、その電気伝導特性による応用の可能性について指針を提示した。(4)非極性GaNのサファイヤ基板上でのエピタキシャル成長時のドメイン形成機構が格子定数を同じにするa軸に沿ったa-c面変換であることについてX線回折法からも検証し、結晶性向上の指針を示した。(5)GaN結晶の塑性変形において、フレッシュな転位とともに高密度の点欠陥クラスターが導入され、それらが特異な非発光中心として作用することを見出した。(6)ワイドギャップ酸化物LiNbO3結晶での転位構造の評価により、その形成機構の解明に成功した。

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

本研究の目的であるワイドギャップ半導体における転位の運動機構の解明と、その電子・光学特性の解明に対して、前年度の成果も含め、現時点で、順調に推移している。特に、GaN、AlNとZnOと進めた転位の運動特性とその物性の解明はさらにInNで進めることができ、AlGaN系混晶での特異な混晶効果を見出した。そして、GaNでは固有な転位に関する電子構造の解明を進めることができた。その結果、主たる成果として、国際学術誌へ論文6編、国際学会を含め、11回発表した。

今後の研究の推進方策

初年度、2年度の状況と成果を基盤に、4H-および3C-SiC結晶転位の動特性のより詳細な知見の確立と、これまで研究実績報告が全くないナイトライドInN結晶とII-VI 族亜鉛化合物であるCdTe、CdSe、CdS 結晶を対象とする。特に、基板上に育成されたInN結晶を、2年度に導入したナノインデンテーション装置により転位の運動特性を評価する。前年度と同様に、転位個々の有する電子・光学特性を明らかにする。
(1)確立した圧縮・曲げ変形法とエッチピット法を用い、SiC、CdTe、CdSe、CdS結晶中で転位が外部応力のもとで発生し、運動する挙動とその速度を応力と温度の関数として定量化する。また、ナノインデンテーション法によりInNの微小荷重硬度から転位運動特性を導出する。(2)新規に転位が導入された結晶の電気・光学特性をホール係数測定法、フォトルミネッセンス法、光吸収法、DLTS法のマクロな評価法により定量化し、転位の有する電荷量、電子準位、一次元伝導を明らかにする。(3)結晶中に導入された転位の特性を、高分解能電顕法およびウィークビーム法を用いて決定し、さらに原子構造を明らかにする。(4)変形によって導入された個々の転位の電子・光学的特性を電子顕微鏡内に設置した近接場光学分光PL法とCL法によりミクロなスケールで明らかにする。(5)新規に導入した転位がその有する電子・光学特性を熱処理や電子・光エネルギー照射によってどのように変化するかを温度、時間、エネルギー値、強度の関数として、マクロおよびミクロスケールで定量評価し、転位の性質の変性機構を解明する。(6) III-VナイトライドとII-VI酸化物およびII-VI化合物、およびLiNbO3等の酸化物結晶における結果を比較・検討し、転位の結晶物性への影響を総合的に明らかにする。
これらの成果を纏め、学会発表や論文発表を行うとともに、研究期間中の成果を総合的に集大成する。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (6件) 学会発表 (8件)

  • [雑誌論文] Slip systems in wurtzite ZnO activated by Vickers indentation on {2-1-10} and {10-10} surfaces at elevated temperatures2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohno, H. Koizumi, Y. Tokumoto, K. Kutsukake, H. Taneichi and I. Yonenaga
    • 雑誌名

      J. Crystal Growth

      巻: 393 ページ: 119, 122

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2013.11.033

  • [雑誌論文] Microstructure of striae in <0-441>-oriented lithium niobate single crystal grown by Czochralski method2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohno, T.Taishi, N. Bamba and I. Yonenaga
    • 雑誌名

      J. Crystal Growth

      巻: 393 ページ: 171,174

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2013.12.002

  • [雑誌論文] In-situ micro and near-field photo-excitation under transsmission elecron microscopy2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohno and I. Yonenaga
    • 雑誌名

      Appl. Surface Science

      巻: 302 ページ: 29,31

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2013.11.061

  • [雑誌論文] 非極性GaN 層中の微結晶粒の効率的な検出と今後の展望2013

    • 著者名/発表者名
      徳本有紀、李 賢宰、大野 裕、八百隆文、米永一郎
    • 雑誌名

      まてりあ

      巻: 52 ページ: 273,277

    • DOI

      doi:10.2320/materia.52.273

  • [雑誌論文] Vacancy-type defects introduced by plastic deformation of GaN studied using monoenergetic positron beams2013

    • 著者名/発表者名
      A. Uedono, I. Yonenaga, T. Watanabe, S. Kimura, N. Ohsaima, R. Suzuki, S. Ishibashi and Y. Ohno
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 114 ページ: 084506 (1-6)

    • DOI

      10.1063/1.4819798

  • [雑誌論文] Influence of Isoelectronic Te Doping on the Physical Properties of ZnO Films Grown by Molecular-Beam Epitaxy2013

    • 著者名/発表者名
      S-H. Park, T. Minegishi, D-C. Oh, D-J. Kim, J-H. Chang, T. Yao, T. Taishi and I. Yonenaga
    • 雑誌名

      J. J. Appl. Phys.

      巻: 52 ページ: 055501 (1-4)

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.055501

  • [学会発表] ナノインデンテーション法によるInN薄膜の機械的特性の研究2014

    • 著者名/発表者名
      大久保泰、 徳本有紀、後藤頼良、沓掛健太朗、出浦桃子、大野裕、米永一郎
    • 学会等名
      東北大学研究所連携プロジェクト平成25年度報告会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      20140205-20140205
  • [学会発表] Intrinsic properties of dislocations freshly induced by plastic deformation in GaN2013

    • 著者名/発表者名
      I. Yonenaga, T. Yao, K. Edagawa
    • 学会等名
      Material Science Society 2013 Fall Meeting
    • 発表場所
      Boston (USA)
    • 年月日
      20131202-20131206
  • [学会発表] Growth and characterization of Si-doped AlN films on sapphire2013

    • 著者名/発表者名
      G. Nishio, H. Miyake, K. Hiramatsu, Y. Tokumoto, I. Yonenaga
    • 学会等名
      2013 JSAP-MRS Joint Symposia
    • 発表場所
      Kyoto
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] Fundamental properties of edge dislocations induced by plastic deformation in GaN2013

    • 著者名/発表者名
      I. Yonenaga, T. Yao, K. Edagawa
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Nitride Semiconductors
    • 発表場所
      Washington, D.C. (USA)
    • 年月日
      20130825-20130830
  • [学会発表] Nanoindentation hardness of AlGaN alloys2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Tokumoto, H. Taneichi, Y. Ohno, K. Kutsukake, H. Miyake, K. Hiramatsu, I. Yonenaga
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Nitride Semiconductors
    • 発表場所
      Washington, D.C. (USA)
    • 年月日
      20130825-20130830
  • [学会発表] Slip systems in wurtzite ZnO single crystals at elevated temperatures2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Ohno, H. Koizumi, Y. Tokumoto, K. Kutsukake, H. Taneichi, I. Yonenaga
    • 学会等名
      The 19th American Conference on Crystal Growth (ACCGE-19)
    • 発表場所
      Keystone (USA)
    • 年月日
      20130721-20130726
  • [学会発表] Dislocation mobilities in wide band-gap semiconductors2013

    • 著者名/発表者名
      I. Yonenaga, Y. Ohno, Y. Tokumoto, K. Kutsukake
    • 学会等名
      The 19th American Conference on Crystal Growth (ACCGE-19)
    • 発表場所
      Keystone (USA)
    • 年月日
      20130721-20130726
  • [学会発表] Dislocation dynamics in AlN films induced by in situ TEM nanoindentation2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Tokumoto, K. Kutsukake, Y. Ohno, I. Yonenaga
    • 学会等名
      18th Microscopy of Semiconducting Materials Meeting (MSMXVIII)
    • 発表場所
      Oxford (UK)
    • 年月日
      20130407-20130411

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公開日: 2015-05-28  

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