窒化物半導体単結晶中のキャリアダイナミクス評価に基づく結晶高品質化

• 研究概要

  当研究チームは、スウェーデンLinköping大学のIFM研究所への教員および博士後期課程学生の留学等による研究交流をベースに、これまでGaN, AlN単結晶成長技術を世界に先駆けて世に送り出してきた。その成果であるGaN, AlN単結晶基板は多様な用途に活用されているが、これらの光デバイスの更なる高効率化、さらにはGaN, AlN基板を電力デバイス作製に用いる場合には、結晶構造の完全性のみならず、不純物や原子空孔といった点欠陥がキャリアダイナミクスに与える影響の解明・制御といった研究にいち早く着手することが必須となる。

  招聘する外国人研究者は、Ⅲ族窒化物結晶成長に取り組んでいるパイオニアで、光励起により発生するキャリアの発光再結合過程解析による結晶性評価の世界的権威である。本研究チームはそれぞれ異なる専門分野をツールとして使いこなすメンバーから構成されており、各種の世界最先端レコードを有する。このメンバーを核として研究を推進することは、研究拠点としての東京農工大学のプレゼンスを高めるだけでなく、語学教育を含む学生の研究力強化においても非常に大きな効果を期待できる。

  

• 研究目的

  当研究チームはこれまで長年に渡って国際共同研究を実施しており、その成果として実用レベルのGaN, AlN単結晶成長技術を世界に先駆けて確立するなど、本分野において世界的に抜きんでた存在である。本成果は青紫色の全固体レーザーや260 nm帯の殺菌・ウイルス不活性化用光源の実用化に繋がり、現在、多くの研究者がGaN, AlN単結晶基板上へのデバイス作製の研究開発に携わっている。

  一方、我々はこのトレンドの更に先を見据え、光デバイスの更なる高効率化や窒化物結晶を電力デバイスに用いるため、結晶構造の完全性は当然のことながら、これまでは見逃されてきた結晶中の点欠陥をも制御する必要があると考えた。すなわち、結晶中の点欠陥周りにおける励起キャリアの発光再結合過程を解析し、これと結晶成長をリンクさせることで効率的に点欠陥を減らし、研究期間内で次世代デバイス作製に応じることの可能なⅢ族窒化物結晶を実現すること、およびそのための研究体制の構築である。

  当研究チームは、Ⅲ族窒化物結晶の研究で世界のトップを走っており、現状で世界最高品質のⅢ族窒化物結晶を成長する技術を保有する当グループでのみ実施可能である。これまでも国際共同研究をベースとして国際共著論文が多数パブリッシュされている。また本研究グループの構成メンバーはそれぞれが異なる専門分野のエキスパートで、博士後期課程学生を含めた研究者が切磋琢磨することで基礎から応用に至る非常に多くの研究成果が期待される。また、博士後期課程学生の研究力の向上も期待される。

  

• 研究計画

  本学内に設置されているⅢ族窒化物結晶の成長炉および結晶性分析装置（Ｘ線回折測定、電子顕微鏡、マイクロラマン分光、フォトルミネッセンス、光透過率測定、ＡＣ磁場ホール測定）、また熱力学解析計算サーバー、第一原理計算サーバーを用いてⅢ族窒化物の結晶成長・評価に当たる。励起キャリアの寿命解析等の特殊な分析については外国人研究者の所属するLinköping大学IFM研究所の分析装置を用い、同所の研究者と共同で実施する。研究チーム代表者が研究の総括と光・電子デバイスを分担し、外国人研究者が光励起キャリアダイナミクス評価、研究メンバーが結晶成長のための反応の計算機解析、成長した結晶の構造解析、結晶最表面プロセスの量子化学計算、電気物性評価を分担し、点欠陥制御されたⅢ族窒化物結晶の成長技術を確立する。構成メンバーの専門分野に完全な重複は無く、本研究組織の構築は必然である。

  平成２６年度は研究体制の構築と、既に世界最高の結晶品質を達成しているAlN単結晶中の点欠陥の光励起キャリアダイナミクス評価に着手する。得られた結果を他の分析手法の結果と比較し、妥当性を検討する。他の分析手法としては、電子の反物質である陽電子注入とその寿命評価による点欠陥評価を計画しており、フィンランドAalto大学の研究グループと共同研究を始める。得られた結果を結晶成長条件選定にフィードバックし、点欠陥削減を効果的に達成する。

  平成２７年度以降、現在立ち上げ中のGaNバルク単結晶の高温高速成長炉で成長されるGaN中の点欠陥評価、InGaNバルク結晶中の点欠陥評価を実施する予定である。　成果は国際会議および英文誌学術論文へ連名で投稿する。外国人研究者には博士後期課程学生の論文執筆指導も担当頂く予定である。

  

その他の研究者

纐纈　明伯　（理事（学術・研究担当）・副学長）
村上　尚　（工学研究院・准教授（テニュアトラック））
富樫　理恵　（工学研究院・助教）
ティユ クァン トゥ　（グローバルイノベーション研究院・特任助教）