【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】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】22560012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

発光デバイス / 量子ドット / 信頼性 / 劣化 / 結晶成長 / 格子欠陥 / 転位 / 電子顕微鏡 / 長寿命化

【研究成果の概要】

発光デバイスの究極の寿命を決定する遅い劣化のメカニズムを解明するために、次世代発光デバイス用の新材料および量子ドット構造に外部から光照射を行い、劣化の度合いを評価した。その結果、新材料のGaInNAsでは、顕著な劣化が見られたが、InGaN,AlInGaAsでは、殆ど劣化が見られなかった。また、InP/InAs量子ドット/InP構造では、比較的強い光励起下でも殆ど劣化は見られなかった。今後、実デバイスに近い構造でも評価する必要がある。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 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】14750257 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 光通信 / GaAs / 結晶成長 / 量子井戸 / 量子ドット / GaInNAs

【研究成果の概要】

光通信用波長1.55μm帯レーザのGaAs基板上への形成が望まれる.窒素を含むGaInNAsやGaInAs量子ドットが有望だが,波長1.3μmを越えるレーザの実現には,結晶の発光効率の向上が必要である.本研究では,GaAs基板上マ波長1.3μmを越える発光材料の結晶成長特性と発光特性への影響解明を目的とした.
本年は,自己形成量子ドットの発光効率向上のため,結晶成長時の表面エネルギーを変化させるサーファクタントを用いて,結晶歪による転移発生の抑制の可能性について検討を行った.Sbをサーファクタントとして用い,まず,GaInAsドット中への導入を行った.サーファクタントの効果による3次元成長の抑制効果により,量子ドット密度が急激に低減されることを見出した.一方,量子ドットのカバー層であるGaInAsへのSb導入では,発光効率の大幅な向上とともに,発光波長の長波長化を観測した.ドット形成時に,高歪ドット表面からのInの拡散が,Sbのサーファクタント効果により抑制され,ドットの縮小が抑制されたこと,また,サーファクタント効果により,カバー層によるドットへの応力が低減されたためと考えられる.これらの条件を元にInAsドットにSbを含むGaInAsカバー層を形成し,最長1.48μmの室温フォトルミネッセンスを得た.
以上,本年は,Sbを用いてGaInAs量子ドットの長波長化と発光効率の向上を実現した.これまでに検討したGaInNAsとの組み合わせによる,GaAs基板上長波長レーザの実現の可能性を拓いた.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13355015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微小共振器 / 量子ドット / 強化ガリウム / 面発光LED / 面発光レーザ / MOCVD / 結晶成長 / デバイスプロセス / 窒化ガリウム / GaN / InGaN / 半導体レーザ / 量子井戸 / 化合物半導体

【研究成果の概要】

電流注入型窒化物半導体青色面発光レーザの実現に向けた基盤技術の確立をはかった。本年度の主な成果は下記の通りである。
1.高反射率n型AlGaN/GaN分布ブラッグ反射鏡(DBR)の作製
GaN層結晶成長時のキャリアガス流量を最適化し、面内均一性の改善に成功した。また、成長温度の誤差変動を1℃単位で補正し、DBRの膜厚揺らぎを抑制した。これらの結果、ノンドープDBR(33周期)上にn型DBR(9周期)を積層したAlGaN/GaN DBRにおいて99%以上の反射率を得ることができた。すでに同等の反射率のDBRを用いた窒化物面発光レーザにおいて室温光励起発振が実現しており、電流注入型青色面発光レーザの実現が大いに期待される。
2.InGaN活性層の発光効率改善
室温フォトルミネッセンス(PL)発光強度の障壁層Siドーピング量依存性を調べて、成長条件の最適化を進めた。Siドーピング量を高めるにつれてPL発光強度が増大し、ノンドープのものより4桁以上高い強度に達した。Siドープによって生じたキャリアがInGaN井戸層内の内部電界の遮蔽をもたらし、電子と正孔の波動関数の重なりが増したものと考えられる。一方、Siドーピング量をある値以上に増やしてもPL発光強度のさらなる増大は観測されなかったが、これは内部電界の遮蔽が飽和に至ったものと考えることで定性的には説明できる。
3.窒化物半導体面発光デバイスプロセスの開発
基板密着性に優れ、逆メサ形状を有する2層レジスト工程を開発した。ベークしたAZ1500上にAZ5206Eを塗布し画像反転プロセスを行うと、レジスト流れも無く、かつ逆メサ形状を有するパターンの形成が可能である。レジストの濡れ性がよくない窒化物半導体上の微細メタルリフトオフプロセスへの応用が可能であり、窒化物面発光レーザの高密度アレイが高い歩留まりで信頼性よく作製できる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】49,660千円 (直接経費: 38,200千円、間接経費: 11,460千円)