研究内容
- Keywords
ナノ材料・ナノバイオサイエンス
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
所属学会
応用物理学会
電子・光機能材料研究センター
III-V族化合物半導体結晶成長技術開発とその機能探索
化合物半導体，結晶成長，分子線エピタキシー，ヘテロ構造，量子ドット，赤外線検出器, 量子光源
概要
Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体ヘテロ構造は、受光・発光デバイス、電子デバイスなど、私たちの身近な多様な用途で広く利用されている。今後の IoT 社会の発展に向けて、これらのデバイスのさらなる高性能化・低価格化に加え、新たな機能を創出していくことが不可欠である。
本研究では、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体を中心とする材料を対象に、高度なエピタキシャル成長基盤技術の開発と、それを駆使した新規ヘテロ構造の作製および新機能の開拓を行う。成長素過程の理解に基づく高度な結晶成長技術を確立することで、次世代光源向け量子ドットや高感度センシングデバイス用ヘテロ構造など、革新的な光・電子機能を備えた半導体材料の開発を推進する。
新規性・独創性
● NIMSでは、旧金属材料技術研究所の時代に独自に提案した「液滴エピタキシー法」による半導体量子ドットの自己形成技術を発展させ、量子ドットレーザー、量子ドット太陽電池、量子リング構造など、多様な成果を挙げてきた。
近年、我々はこの独自手法を応用することで、従来の成長手法では実現が困難であった量子光源応用に適した高機能量子ドットを形成できることを見出し、研究開発を加速している。これまで主に格子整合系量子ドットの開発を進めてきたが、光ファイバー通信波長帯での応用を視野に入れ、近年は格子不整合系量子ドットの開発にも注力している。
●III-V族化合物半導体は、材料組成の組み合わせによってバンドギャップを広範囲に調整できる。この特性を活かすことで多様な機能を実現できるが、一般にバンドギャップが大きい半導体ほど格子定数が小さくなるため、エピタキシャル成長によってヘテロ構造を形成する際には、格子不整合を適切に制御することが不可欠となる。
我々は、通常とは異なる面方位基板の利用や、独自の極薄挿入層の導入などにより、目的に応じて格子不整合を巧みに制御する技術開発に取り組んでいる。これまでに、界面に高密度転位を局在化させることで大きく格子定数の異なるヘテロ構造を容易に成長させる手法や、格子緩和を抑制することで高品質量子ドットを自己形成する技術などを報告している。
内容
NIMSでは、独自の液滴エピタキシー法を用いた自己形成量子ドットの研究開発を進めている。とりわけ近年は、高い面内対称性を有する量子ドット形成が期待される (111)A 方位基板上での量子ドット成長技術の確立に注力している。面内対称性の高い量子ドットは、オンデマンドで量子もつれ光子を生成できるため、量子情報デバイスに不可欠な要素である。
これまでに、可視域で発光する GaAs 量子ドットにおいて、電流注入による量子もつれ光子の生成と、60 K 以上での高温動作を実証してきた。さらに近年は、通信波長帯で発光する InAs 量子ドットの研究に取り組み、格子不整合系における液滴エピタキシーの自己形成機構の解明と成長条件の最適化を進めている。その成果として、Cバンドにおける単一光子発生を実証している。
ナローギャップ半導体を用いた赤外線検出器は、環境センサーや暗視カメラなどに応用可能である一方で、高性能な検出器には材料の毒性が高いことや基板が高価であることなどの課題があった。そこで我々は、(111)A 面方位におけるヘテロエピタキシャル成長に着目した。この面方位では、界面に転位ネットワークが形成される特異な格子緩和機構が働き、結晶成長初期にほとんどの格子不整合が緩和される。
このヘテロ構造を利用し、ドーピングプロファイルを適切に制御することで、極めて簡便な成長プロセスでありながら、暗電流の低い赤外線検出器動作を実現した。本技術により、安価な基板上で高性能な赤外線検出器を実現できる可能性が拓かれている。
さらに、プローブ顕微鏡を用いた実働その場バンド観察技術などを組み合わせることで、デバイス特性のさらなる向上や検出波長域の拡大に向けた研究を進めている。
まとめ
III-V族化合物半導体の高度な結晶成長技術を開発し、それを駆使して半導体ヘテロ構造を作製し、その機能性を実証してきた。高度な機能を備えた新規ヘテロ構造を実現するためには、理論に基づく構造設計や、原子スケールでの結晶成長素過程の理解が不可欠である。今後は、これらを高度に融合させることで、研究をさらに発展させていく。
