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2014 Fiscal Year Annual Research Report

超高速新型トランジスタ実現に向けた新規酸窒化物半導体の創製

Research Project

Project/Area Number 14J05011
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

松島 宏一  九州大学, システム情報科学府, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Keywordsエキシトニックトランジスタ / 酸窒化物半導体 / ピエゾ電界
Outline of Annual Research Achievements

1.光通信波長帯域に対応したZION量子井戸の実現
ZIONを用いたエキシトニックトランジスタの実用化のためには,光通信帯域に対応するEg=0.8~1.0eVのZIONが望まれる.このZIONを実現するためには,結晶欠陥に起因する残留キャリア密度の低減が必要である.何故ならば,残留キャリアが高密度の場合光吸収端の短波長シフト(Burstein-mossシフト)が生じるためである.本研究では,ZIONの組成比(ZnO)x(InN)1-xからのずれが小さいほど,バンドギャップが減少することが分かった.この結果は,ZIONの組成比のずれにより残留キャリア密度が増加し,最終的にBurstein-mossシフトが生じることを示唆している.組成比のずれを抑制するため,プラズマパラメータ制御による,組成比の精密制御を開始している.この組成比の精密制御により更なる狭バンドギャップ化が期待される.

2.光信号によるエキシトン流のスイッチング
障壁層にZnO (Eg=3.4eV),井戸層にZION (Eg=3.1eV)を用い,ZIONがZnOに対して格子緩和している無歪量子井戸,コヒーレント成長している歪量子井戸の2種類の光応答特性を評価した.歪量子井戸では,井戸層に0.89 MV/cmのピエゾ電界が発生していると見積もられる.歪量子井戸でのみ,レーザー光(2.3eV)の重畳照射により,光電流が太陽光のみを照射した場合の1.8倍に増加した.この結果は,歪量子井戸では,(i)井戸層内に光生成キャリアが高濃度に存在すること,(ii)井戸層内の光生成キャリアを,光重畳により障壁層に励起できることを示しており,ピエゾ電界はエキシトンの再結合抑制だけでなく,エキシトン流の光変調を可能にすることを意味している.従って,チャネル層に上記歪量子井戸を用いることで,全光型のスイッチング素子が実現するものと期待される.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成26年度は以下2項目の研究成果が得られた.
1.光通信帯域に対応したZIONを実現
膜組成のずれとバンドギャップの相関を明らかにした.さらに,プラズマパラメータを制御することにより,膜組成の高精度制御を実現した.これにより,光通信帯域に対応したバンドギャップを有するZIONの実現が期待される.

2. 光信号によるエキシトン流のスイッチング
井戸層にコヒーレント成長したZIONを用いた歪量子井戸では,レーザー光の重畳照射により,光電流が太陽光のみを照射した場合の1.8倍に増加した.一方,井戸層に格子緩和したZIONを用いた無歪量子井戸では,光電流の増加は観測されなかった.これらの結果から,(i)ピエゾ電界によりエキシトンの再結合が抑制され,井戸層に高密度のエキシトンガスが存在する,(ii)エキシトン流の光変調が可能であることが示唆された.

Strategy for Future Research Activity

平成26年度の研究において,エキシトンガスの生成を示唆する結果が得られたが,エキシトンの再結合発光は確認できていない.これはZION膜中の非発光中心である欠陥が高いためと考えられる.先ずこの欠陥密度を低減し,エキシトンの再結合発光を測定する.その後,エキシトン再結合発光の時間分解測定を行い,エキシトンの寿命,移動速度を決定する.また,井戸層幅変調により,ピエゾ電界強度と2次元エキシトンガス濃度及び寿命との相関を明らかにする.ピエゾ電界強度はデバイスシミュレーションにより算出する.

  • Research Products

    (8 results)

All 2015 2014

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Fabrication of ZnInON/ZnO multi-quantum well solar cells2015

    • Author(s)
      K. Matsushima, R. Shimizu, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2015.01.012

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Fabrication of p-i-n solar cells utilizing ZnInON by RF magnetron sputtering2015

    • Author(s)
      K. Matsushima, R. Shimizu, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
    • Journal Title

      MRS Proceedings

      Volume: 1741 Pages: -

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1557/opl.2015.248

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Synthesis and characterization of ZnInON semiconductor: a ZnO-based compound with tunable band gap2014

    • Author(s)
      N. Itagaki, K. Matsushima, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani
    • Journal Title

      Materials Research Express

      Volume: 1 Pages: 036405

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1088/2053-1591/1/3/036405

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ワイドバンドギャップ半導体ZnInONをi層に用いたpin太陽電池の作製2015

    • Author(s)
      松島宏一,清水僚太,井手智章,山下大輔,徐鉉雄,古閑一憲,白谷正治,板垣奈穂
    • Organizer
      第62回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東海大学
    • Year and Date
      2015-03-12 – 2015-03-12
  • [Presentation] Fabrication of strained-induced ZnInON-based multi-quantum well solar cells by RF magnetron sputtering2015

    • Author(s)
      K. Matsushima, R. Shimizu, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
    • Organizer
      2015 Japan-Korea Joint Symposium on Advanced Solar cells
    • Place of Presentation
      TKP HAKATAEKIMAE Meeting Room
    • Year and Date
      2015-01-10 – 2015-01-10
  • [Presentation] Fabrication of strained multi-quantum well solar cells utilizing ZnInON2014

    • Author(s)
      K. Matsushima, R. Shimizu, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
    • Organizer
      2014 MRS Fall Meeting
    • Place of Presentation
      Boston
    • Year and Date
      2014-12-03 – 2014-12-03
  • [Presentation] 酸窒化物半導体ZnInONを用いた量子井戸型太陽電池の作製2014

    • Author(s)
      松島宏一,清水僚太,井手智章,山下大輔,鎌滝晋礼,徐鉉雄,古閑一憲,白谷正治,板垣奈穂
    • Organizer
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2014-09-18 – 2014-09-18
  • [Presentation] Epitaxial growth of In-rich ZnInON films by RF Magnetron Sputtering2014

    • Author(s)
      K. Matsushima, R. Shimizu, T. Ide, D. Yamashita, H. Seo, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
    • Organizer
      IUMRS-ICA 2014
    • Place of Presentation
      福岡大学
    • Year and Date
      2014-08-25 – 2014-08-25

URL: 

Published: 2016-06-01  

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