【研究領域課題番号】19H02541 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 自己組織化量子ドット / 分子線エピタキシー / タイプⅡ超格子 / 量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 分子線エピタキシ－ / 光マネジメント / ナノ構造物理 / 光起電力物性 / 太陽電池 / 2段階光吸収 / 集光型太陽電池

【研究成果の概要】

量子ドットを利用した中間バンド太陽電池の高効率化に向けて、次に挙げた課題を解決する必要がある。(1)中間バンドが再結合中心となり、発光再結合及び非発光再結合レートが増大し開放電圧が下がってしまうこと、(2)中間バンドでのキャリア占有率、また量子ドットの光吸収が低いとき、中間バンド→伝導帯への2段階目の光吸収が少なくなること、(3)量子ドット層と周囲の材料のエネルギー障壁が小さいと2段階光吸収が起こる前にキャリアの熱脱出が起こってしまうこと、そして(4)量子ドットの面内密度が低くかつ面直方向に十分に近接させることができない場合、中間バンド(超格子ミニバンド)が形成されないこと、などである。
本年度は、特に上記(2)に関し、Fabry-Perot(FP)光共振器構造を用いて太陽電池内の共振位置に光電場が増強されることを利用して、これらの共振位置に量子ドット層を挿入することで、量子ドットの光吸収を増大させることができるか実証を試みた。作製したFP構造を導入した薄型量子ドット太陽電池において、FP共振波長と一致する波長位置に量子ドットの吸収ピークが明瞭に観測された。これは電界強度のシミュレーション結果との比較から、FP共振によってこれらの波長で量子ドットの吸収が増強されたためと考えられる。また光閉じ込め構造を有しない従来構造の量子ドット太陽電池と比較した場合も、FP構造を持つ薄型量子ドット太陽電池の方が、長波長の領域から得られる分光感度、及び電流生成が大きくなることを実証することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】26246017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 自己組織化量子ドット / ２段階光吸収過程 / 分子線エピタキシー / 量子ドット超格子 / 量子ドット / 2段階光吸収過程 / フーリエ変換光電流分光法 / 結晶成長 / 高効率太陽光発電材料・素子 / 太陽電池 / 半導体物性 / 量子ナノ構造 / 2段階光吸収 / 太陽光発電 / 量子効率

【研究成果の概要】

従来のpn接合間の最適なエネルギー位置に新たにバンド構造を導入した中間バンド型太陽電池が実現できると、エネルギー変換効率の理論値は60%(集光時)を上回り、現在の単結晶Si太陽電池の２～３倍の発電量が得られる。このような太陽電池を実現する素子構造として、高密度、高均一で周期配列させた量子ドット超格子(ドット結晶)が挙げられる。
本研究では価電子帯から中間バンドへ、また中間バンドから伝導帯への励起強度と時間遅れが光電流に及ぼす影響を網羅的に調べることにより、中間バンドの役割を明確にし、かつこのときの最適な集光条件を見出すことにより、電流整合の最適化及び高電圧化を図ることを目的とした研究を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,860千円 (直接経費: 32,200千円、間接経費: 9,660千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】25420299 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

有機・無機半導体ヘテロ界面 / フラーレン / GaAs / MBE / HEMT / 光スイッチ / 量子ドット / 太陽電池 / 深い準位

【研究成果の概要】

C60分子に無機半導体で培われた半導体結晶成長・評価技術を応用することで、有機・無機半導体ヘテロ構造の作製および新規電子デバイスの提案を行った。MBE法によりC60 doped GaAs薄膜を作製したところ、GaAs結晶に欠陥なくC60分子の添加に成功した。電気的特性より添加されたC60分子はGaAs結晶中にて電子トラップとして機能し、電界もしくは赤外線により、トラップされていた電子が放出されることがわかった。これはC60分子が無機半導体中にてサイズが均一な量子ドットとして機能していることを示唆している。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】20760203 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フラーレン / GaAs / MBE / MEE / RHEED / 量子ドット / 電気・電子材料 / 薄膜・量子材料 / ナノ表面界面 / 有機半導体デバイス

【研究成果の概要】

フラーレンC_<60>のMBE法によるエピタキシャル成長およびC_<60>を添加したGaAs、AlGaAsの物性について研究を進めた。C_<60>と基板結晶の格子不整合は大きいが,得られた結晶は極めて良く、C_<60>/GaAsヘテロ界面のRHEED振動観察によって、C_<60>成長初期層が基板表面再構成とC_<60>分子の立体構造で決まることを発見した。低温MEE法を用いてC_<60>-doped GaAsを作製した。C_<60>分子は分解されずに添加され,深い電子トラップとして機能することがわかった。この電子トラップは電界を印加すると電子を放出し,AlGaAs中でも同様に機能することがわかった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】17360135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 自己形成法 / 希釈窒化物半導体 / 歪み制御 / 分子線エビタキシー / 高効率太陽電池 / 歪み補償成長法 / 分子線エピタキシー / 超格子 / 歪み報償法 / 自己組織化量子ドット / GaInNAs / 窒素ラジカル / 光エレクトロニクス

【研究成果の概要】

(1) GaNAs希釈窒化物半導体を用いて自己組織化lnAs量子ドットの多重積層化に関する研究を行った。GaNAsの格子定数は、少量の窒素の添加によりGaAsの格子定数より小さくできるため、量子ドット部で残留する圧縮歪みとは逆向きの引張り歪みにより歪みを補償することが可能となり、平均的な歪みエネルギーを相殺させることができる。成長条件の最適化を行った結果、30層以上の多重積層量子ドット構造を作製し、10^<12> cm^<-2>台の超高密度な多重積層量子ドット構造を実現することに成功した。
(2)最適化されたイオン除去電極の下で活性なイオン種を取り除きGaInNAs量子ドットを作製する方法を研究した。また発光特性の改善を目的としてGaAsSb歪み緩和層で埋め込む構造を検討した。埋め込み層であるGaAsSbの格子定数をGaAsとGaInNAsの間になるように制御することにより、GaInNAs量子ドットに加わる局所的な歪みを低減できるため、長波長側での発光や、ヘテロ界面で発生しやすい非発光再結合中心を減少させることが期待できる。加えて、GaAsSbとGaInNAsとのバンドオフセットの観点から、量子閉じ込めが強い状態を維持でき、発光強度の温度依存性が改善できると考えられる。本研究では、GaAsSb歪み緩和層を用いてGaAs(001)基板上に自己組織化Ga_<0.6>In_<0.4>N_<0.012>As_<0.988>量子ドットを作製し、発光特性について評価を行った。GaAs_<0.821>Sb_<0.179>歪み緩和層の導入による成長後の表面は非常に平坦なものが得られた。また歪み緩和層の導入により発光ピークが長波長化し発光強度も増大した。したがってGaInNAs量子ドット部での局所的な歪みの緩和、及びヘテロ界面の品質が改善されたことから、長波長帯光デバイスへの応用が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】9,510千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 210千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】14350170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体ナノ構造 / 量子ドット / 量子細線 / MBE / MEE / フォトニック結晶 / 選択エピタキシャル成長 / 弾道輸送現象 / δドーピング / ナノデバイス / AlGaAs / GaAsヘテロ構造 / 収束イオン注入 / AIGaAs

【研究成果の概要】

これまで半導体を用いた二次元電子系においては量子ホール効果、分数量子ホール効果をはじめとした様々な電子物性や量子相関が明らかにされてきた。しかしながらさらに次元性の低い一次元、ゼロ次元電子系では電子物性研究の進展やデバイス応用の研究が著しく遅れている。この原因は平坦な二次元構造では原子スケールの構造精度がほぼ完全に達成されているのに対し、一次元・ゼロ次元構造ではそれが極めて不完全であることによる。本計画ではこれまで半導体ナノ構造の製造技術として開発を進めてきたMEE技術を進化・最適化することにより、おもにIII-V族化合物半導体を用いて、構造精度の極めて高い量子細線構造、量子ドット網構造などの製作技術を確立し、それらの構造を用いた新しい現象の探索を行った。III-V族化合物半導体の特性を生かすにはヘテロ接合が不可欠である。このため低次元構造の製作技術に関してはAlGaAs/GaAsをはじめ、InAs/GaAs、InGaAs/GaAsなどの諸材料を用いて行った。量子細線、量子ドット等の製作では、サイズと配列の不均一性・不規則性を排除するため、これまでの自己形成型の手法はとらず、電子線露光をベースに選択エピタキシャル成長の方法をとった。ナノ構造を設計どおりに実現するには横方向成長を阻止する必要があったが、MEE法を最適化することによりこれを実現した。その結果極めて均質性の高い一次元量子細線、ゼロ次元量子ドットの製作に成功すると共に、これらを用いた二次元格子配列構造の製作技術が確立できた。AlGaAs/GaAsを用いた量子ドット格子は、二次元フォトニック結晶として有効に機能することが明らかになった。さらに量子ドット-量子細線ネットワークの製作にも成功し、所期の性能を得た。一方InAs/GaAs量子ドット構造ではヒロックの発生に直面したが、結晶学的な解析によりその原因を究明し、この系においても構造精度の高い低次元構造の実現を可能にした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】11,900千円 (直接経費: 11,900千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自然形成InAs量子ドット / 単電子効果 / スピン / スピン軌道相互作用 / 狭ギャップ半導体 / ラシュバ効果 / 分子線エピタキシー / スピン注入 / 単電子トランジスタ / 自然形成量子ドット / インジウム砒素 / 強磁性体 / 自己形成InAs量子ドット / 単電子トランジスター / 量子ドット / 擬一次元トランジスタ構造 / 帯電効果

【研究成果の概要】

(1)単電子トランジスタ構造中に数個の自然形成量子ドットを集積したトランジスタは、異なるドットの帯電効果が重なった電圧電流特性を示し、個々の量子ドットからの影響をはっきりと分離をすることは容易ではない。それに比べて多数の自然形成量子ドットを集積した単電子トランジスタ構造の方が個々の帯電効果が平均化されて単一ドットが集積されたトランジスタ動作をすることがわかった。
(2)量子細線トランジスタのチャンネル上の障壁中に単一量子ドットを埋めむことを試みた。(311)A基板を加工して(100)ファセット上に量子細線トランジスタが形成でき、細線上の障壁に選択的にInAs量子ドットが形成できることが判明した。
(3)(1)で得られた単電子特性を示す電流ピークはそれぞれ電子スピンに関して無選択な環境での量子ドットの帯電状態を表している。電子スピンの選択の自由度が得られると異なる特性があらわれることが予想され、このことを利用すると帯電中の電子のスピン状態が判別できるトランジスタ動作実現の可能性がある。これを実現するため、強磁性体電極から狭ギャップ半導体であるインジウム砒素にスピン注入することを試みた。この結果、約40%のスピン偏極率を有する鉄電極から約18%のスピン注入が可能であることがわかった。このことから、スピン制御が可能な単電子トランジスタを実現するための基盤技術を確立することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】12,400千円 (直接経費: 12,400千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】10305028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子カスケードレーザ / 半導体レーザ / MOCVD / MBE / ナノ構造 / 量子井戸 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究は,将来の集積電子素子と光素子の融合を目指して、ユニポーラーキャリア動作に基づいた量子カスケード構成による1.5μm波長帯の半導体レーザを実現するための、半導体ヘテロ構造について、結晶成長技術および物理的基礎を中心に研究を行うことを目的としている。
伝導帯において大きなバンド不連続性を実現することが可能なGaN/AlGaN系におけるサブバンド間遷移について研究に取り組んだ。まず、AlGaN/GaN単一ヘテロ構造をサファイア基板上に常圧MOCVD法により結晶成長を行った。電子移動度は室温で理論的限界といわれる2000cm2/V.secをほぼ達成した。これは、界面が良質であることを示すものである。
この単一ヘテロ接合構造において、FTIRにより吸収測定を行ったところ、約270meVのところに吸収ピークが得られた。これは第1サブバンドと第2サブバンドのエネルギー差に対応しており、この値は、AlGaAs/GaAs単一ヘテロ接合においては約30meVであるのと比較すると、約一桁大きいものである。これはピエゾ分極の効果によるものである。
さらに、AlGaN/GaN量子井戸において、井戸幅、量子井戸数を変えながら、サブバンド間吸収を測定した。量子井戸の数依存性においては、量子井戸の数が増大すると、歪の緩和が起こる様子が、吸収ピークのエネルギーシフトから明らかになった。また、井戸幅を狭くすることにより、吸収ピークが短波長にシフトすることを見出した。現時点で、最短の波長は1.7μmであり、光通信に適した波長にかなり近づけることが出来た。
これらの結果は、光通信波長帯における量子カスケードレーザやスイッチの実現のの基盤技術の確立の向けてきわめて重要な結果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】39,000千円 (直接経費: 39,000千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】10750223 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

青色面発光レーザ / 青色量子ドットレーザ / InGaN量子ドット / 有機金属気層成長 / 窒化物半導体 / InGaN量子井戸 / T型量子細線 / 磁気フォトルミネセンス / 量子細線 / 量子ドット / ガリウム砒素 / 分子線エピタキシー / 有機金属気層成長法 / へき開再成長法 / 半導体レーザ

【研究成果の概要】

本研究では、新しい結晶成長法を活用して、ナノ構造に閉じ込められた電子が光と有効に相互作用する新しい微細構造を開発し、ナノ半導体レーザへの道を拓くことを目的として研究を進めてきた。その結果、次のような成果をあげることができた。
(1)T型量子細線の磁気フォトルミネセンス分光
低閾値の量子細線レーザを実現するためには、1次元電子の物性の解明が重要である。我々は、5nm寸法のT型量子細線の磁気フォトルミネセンスを測定し、T細線に閉じ込めれられた電子の波動関数の形状を解析することによって、1次元電子の波動関数の広がりに対する横方向閉じ込め効果を明らかにした。
(2)青色InGaN量子ドットレーザの室温レーザ発振
InGaN量子ドットを活性層に有するレーザは現状のInGaN量子井戸レーザよりもさらに特性が向上することが期待されている。本研究では、InGaNの自己組織化現象を利用した独自のInGaN量子ドットの作成法を開発し、青色レーザに応用した。その結果、InGaN量子ドットを活性層に有するレーザ構造を試作し、光励起によってレーザ発振を初めて実現した。
(3)青色InGaN量子井戸面発光レーザの光励起レーザ発振
窒化ガリウム(GaN)を用いた青色の半導体レーザが国内外で開発され、デジタル・ビデオ・ディス(DVD)どの高密度光記録用の光源として利用されつつある。この高密度光記録の読み出し速度を高速にするために、青色面発光レーザへの期待が高まっている。筆者は、有機金属気層成長(MOCVD)法に改良を加え、反射率97%の半導体ミラーを作製するなど、青色面発光レーザの主要な作製技術を確立した結果、InGaN面発光型レーザの室温レーザ発振に成功した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】09750006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 硫化カドミウム / セレン化亜鉛 / 分子線エピタキシー / フォトルミネッセンス / 原子間力顕微鏡 / 発光ダイオード / 六方晶 / ZnSe / CdS / 量子箱 / 自己構築法 / 分子線エピタキシ- / 双安定

【研究成果の概要】

昨年度までの成果を元に本年度はCdS量子ドットの発光の短波長化と発光素子応用を主に検討を行った。その結果、
● 昨年度までの成果ではCdS量子ドットから明るい発光が確認されたがその発光波長は青色領域には入っていなかった。そこで、量子ドットのサイズを小さくすることを試み、量子準位による発光の高エネルギー化を計った。その結果、青色領域にまで発光波長の制御が可能なことが明らかになった。これらのことより、ZnSe上の自己構築型CdS量子井戸の光学的特性は、ドットのサイズを変化させることで青色から赤色までの領域で発光色を制御できることが明らかになった。同時に本量子ドットの成長がInGaAS系量子ドットの場合等とは異なり、V-W modeであるとの知見を得た。
● ZnSeのpn接合中にCdS量子ドットをつくりこんだ構造による青色発光ダイオードの作製を試みたところ、液体窒素温度から室温までの広範囲の温度領域において高輝度で発光する素子の作製に成功した。その動作電圧や特性の評価を行ったところ、初期的なデータであるものの、従来に得られている素子と比べても遜色のない特性を示していることが明らかになった。
発光の更なる短波長化が可能であるとの知見を得た。
● ZnSeのかわりにZnSSe母体上にCdS量子ドットを作製することにより、量子ドットからの発光の更なる短波長化が可能であるとの知見を得た。
これらのことより、本量子ドットの基礎物性等が明らかになり、次世代の高性能発光素子実現のために望ましい材料系の1つであることを明らかにした。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)