酸窒化物量子井戸中のエキシトン流を利用した高速・低消費電力トランジスタの創成

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25630127
• 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科(研究院, 准教授 (60579100)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: エキシトニックトランジスタ / ZION / ピエゾ電界 / 量子井戸 / スパッタリング / 結晶成長

研究実績の概要

本研究は，世界初となるエキシトニックトランジスタの室温動作を目指し，独自に考案した「ピエゾ電界誘起構造」と新規半導体材料「ZION」を用いて，エキシトン流の高効率生成およびその制御を実現することを目的としている．
H26年度の成果は以下の２点に集約される．
1. 単結晶ZION膜の高品質成長：H25年度までに，独自に開発した不純物添加結晶化 (Impurity mediated crystallization: IMC) 法により，低コスト格子不整合基板上への単結晶ZION膜の作製に成功している．H26年度は，上記IMC法における結晶成長メカニズムの解明を目的とし，バッファー層，ならびにバッファー層情に形成されたZnO膜の表面モフォロジーの定量評価を行い，格子不整合系のヘテロエピタキシーにおいて成長初期の表面形態が及ぼす影響を調べた．その結果，高格子不整合系のヘテロエピタキシーにおいては，高密度な核形成を行うことで，格子不整合から生じる歪みが結晶粒界において効果的に緩和され，その後の2次元的な結晶成長が促進されていることが分かった．
2. 光重畳によるエキシトン流のスイッチング：従来のエキシトントランジスタでは，光励起したエキシトン流にゲート電圧を印加し，そのポテンシャルエネルギーを制御することでスイッチングを行っている．しかし，本研究により，ピエゾ電界誘起型の量子井戸では，エキシトンを光によってもスイッチングできることが示唆された．従って，本提案のトランジスタでは，主信号とは異なる波長の光をゲートに入射することでエキシトン流がスイッチングできるため，ゲート電圧の印加が不要になる．またその信号を電流として取り出すことができるため，光-エキシトン-電子集積回路の実現も可能となると期待される.

研究成果

• [雑誌論文] Fabrication of ZnInON/ZnO multi-quantum well solar cells (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Matsushima, R. Shimizu, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2015.01.012
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fabrication of p-i-n solar cells utilizing ZnInON by RF magnetron sputtering (2015)
  • 著者名/発表者名: Koichi Matsushima, Ryota Shimizu, Tomoaki Ide, Daisuke Yamashita, Hyunwoong Seo, Kazunori Koga, Masaharu Shiratani and Naho Itagaki
  • 雑誌名: MRS Proceedings 巻: 1741 ページ: aa09-10
  • DOI: 10.1557/opl.2015.248
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of morphology of buffer layers on ZnO/sapphire heteroepitaxial growth by RF magnetron sputtering (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Ide, Koichi Matsushima, Ryota Shimizu, Daisuke Yamashita, Hynwoong Seo, Kazunori Koga, Masaharu Shiratani, and Naho Itagaki
  • 雑誌名: MRS Proceedings 巻: 1741 ページ: aa09-12
  • DOI: 10.1557/opl.2015.87
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synthesis and characterization of ZnInON semiconductor: a ZnO-based compound with tunable band gap (2014)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki, Koichi Matsushima, Daisuke Yamashita, Hyunwoong Seo, Kunihiro Kamataki, Giichiro Uchida, Kazunori Koga, and Masaharu Shiratani
  • 雑誌名: material research express 巻: 1 ページ: 036403
  • DOI: 10.1088/2053-1591/1/3/036405
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Off-axis sputter deposition of high quality ZnO films with buffer layers crystallized via nitrogen mediation (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki, K. Kuwahara, K. Matsushima, D. Yamashita, H. Seo, G. Uchida, K. Kamataki, K. Koga, M. Shiratani
  • 雑誌名: Optical engineering 巻: 53 ページ: 087109
  • DOI: 10.1117/1.OE.53.8.087109
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] スパッタリング成膜法による高品質酸化亜鉛薄膜の形成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂、古閑一憲、白谷正治
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 83 ページ: 385-389
  • 査読あり
• [雑誌論文] Infrared Plasmonics via ZnO (2014)
  • 著者名/発表者名: J.W. Allen, M.S. Allen, D.C. Look, B.R. Wenner, N. Itagaki, K. Matsushima, I. Surhariadi
  • 雑誌名: J. Nano Res. 巻: 8 ページ: 109
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/JNanoR.28.109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth mechanism of ZnO deposited by nitrogen mediated crystallization (2014)
  • 著者名/発表者名: I. Suhariadi, M. Shiratani, N. Itagaki
  • 雑誌名: Mater. Res. Express 巻: 1 ページ: 036403
  • DOI: 10.1088/2053-1591/1/3/036403
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 超高効率太陽電池への挑戦 ～量子効果を利用した新型太陽電池の実現に向けて～ (2015)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: 第25回精密加工プロセス研究会講演会
  • 発表場所: リファレンス駅東ビル
  • 年月日: 2015-10-09
  • 招待講演
• [学会発表] High-mobility amorphous In2O3:Sn films prepared by sputter deposition with nitrogen-mediated amorphization method (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki, T. Takasaki, T. Nakanishi, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani
  • 学会等名: 7th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterial/8th International Conference on Plasma Nanotechnology and Science
  • 発表場所: Nagoya University
  • 年月日: 2015-03-30
• [学会発表] 可視領域でバンドギャップチューニング可能なZnO系新材料の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂, 松島宏一, 井手知章, 山下大輔, 徐鉉雄, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学，神奈川
  • 年月日: 2015-03-12
  • 招待講演
• [学会発表] 窒素添加結晶化法によるc面サファイア基板上へのZnO膜の作製：歪み緩和におけるバッファー層結晶粒密度の影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 井手智章, 松島宏一, 清水僚太, 山下大輔, 徐鉉雄, 古閑一憲, 白谷正治, 板垣奈穂
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2015-03-12
• [学会発表] 不純物添加結晶化法による高品質ZnO薄膜の形成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂
  • 学会等名: 学振166委員会 第66回研究会
  • 発表場所: アイビーホール青学会館、東京
  • 年月日: 2015-01-30
  • 招待講演
• [学会発表] ZnO-based semiconductors with tunable band gap for solar cell application (2015)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: 2015 Japan-Korea Joint Symposium on Advanced Solar Cells
  • 発表場所: TKP HAKATAEKIMAE Meeting Room, Fukuoka
  • 年月日: 2015-01-10
  • 招待講演
• [学会発表] Sputtering Growth of ZnO-based semiconductors with Band Gap Tunability over the Entire Visible Spectrum (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki
  • 学会等名: Pacific Rim Symposium on Surfaces, Coatings and Interfaces (PacSurf 2014)
  • 発表場所: Hapuna Beach Prince Hotel, Hawaii, USA
  • 年月日: 2014-12-09
  • 招待講演
• [学会発表] Sputtering Growth of Pseudobinary ZnO-InN Alloys with Tunable Band Gap for Application in Multi-Quantum Well Solar Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki, K. Matsushima, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani
  • 学会等名: 2014 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Hynes Convention Center, Boston, USA
  • 年月日: 2014-12-03
• [学会発表] Synthesize of ZnO-based Semiconductor with Tunable Band Gap and Its Application in Multi-Quantum-Well Solar Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki, K. Matsushima, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, and M. Shiratani
  • 学会等名: 6th World Conferenceon Photovoltaic Energy Conversion
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center
  • 年月日: 2014-11-26
• [学会発表] スパッタリング成膜法による高品質酸化亜鉛薄膜の形成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: 第30回 九州・山口プラズマ研究会
  • 発表場所: ラグナガーデンホテル、沖縄
  • 年月日: 2014-11-25
• [学会発表] 非平衡極限-窒素添加法による高移動度・非晶質In2O3:Sn膜の作製- (2014)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂, 中西貴彦, スハリアディ イピン, 山下大輔, ソウ ヒョンウォン, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷹メッセ, 新潟
  • 年月日: 2014-11-19
• [学会発表] Sputteing Growth of High-Quality ZnO-based Semiconductors for Optoelectronic Applications (2014)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: American Vacuum Society 61st International Symposium and Exhibition
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA
  • 年月日: 2014-11-13
  • 招待講演
• [学会発表] c面サファイア基板上への単結晶ZnO膜の形成 : 格子不整合系ヘテロエピタキシーにおける成長初期過程の表面形態の影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂, 井出智章, 松島宏一, 山下大輔, 徐鉉雄, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-17
• [学会発表] Fabrication of Pseudo-binary ZnO-InN Alloys with Tunable Bandgap by Low-Temperature Magnetron Sputtering (2014)
  • 著者名/発表者名: Naho Itagaki
  • 学会等名: 15th IUMRS-International Conference in Asia
  • 発表場所: Fukuoka University
  • 年月日: 2014-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] Sputter-Deposition of Pseudobinary ZnO-InN Alloys with Tunable Bandgap for Photovoltaic Application (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki, K. Matsushima, R. Shimizu, and T. Ide
  • 学会等名: International Conference on Microelectronics and Plasma Technology 2014 (ICMAP2014)
  • 発表場所: Gunsan Saemangeum Convention Center, Gunsan, Korea
  • 年月日: 2014-07-11
  • 招待講演
• [学会発表] Novel oxynitride semiconductors for photovoltaic applications (太陽電池のための新規酸窒化物材料の探索) (2014)
  • 著者名/発表者名: 板垣奈穂
  • 学会等名: 36th Seminar of Photovoltaic Power Generation Project (第36回平成26年度太陽光発電プロジェクト講演会 )
  • 発表場所: 宮崎大学
  • 年月日: 2014-05-21
  • 招待講演
• [学会発表] Sputtering growth of ZnO-based semiconductors using ZnON buffer layers for optoelectronic applications (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Itagaki
  • 学会等名: The International Symposium on Plasma-Nano Materials and Processes
  • 発表場所: The Riverside Hotel, Seoul, Korea
  • 年月日: 2014-04-03
• [備考]
  • URL: http://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K003622/research.html
• [備考]
  • URL: http://plasma.ed.kyushu-u.ac.jp/~inorganic/