研究内容紹介

はじめに -応用物理学会の基幹分野-

 当研究室は、光と電子系(電磁波と励起子)の機能を融合するポラリトンレーザ等のナノ・量子構造発光デバイスや、殺菌による水の浄化やウイルス不活化を実現する深紫外(DUV)発光デバイス、脱CO2パワースイッチングデバイスに用いられるワイドバンドギャップ半導体材料の物性研究を通じてSDGsに貢献します。
 研究対象は、令和3年度の応用物理学会優秀論文賞7件のうち5件を占めた、応用物理学の基幹材料といえる「ワイドバンドギャップ半導体材料」を中心に展開しています。すなわち、各種物質の光励起や消毒殺菌に応用が期待される 波長200 nm台の深紫外線に相当するバンドギャップを持つ AlN,AlGaN, BN等のⅢ族窒化物半導体や、近紫外線コヒーレント光源を実現できる可能性のあるZnO,NiO等の金属酸化物半導体を扱っており、これらの結晶の成長には、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法や独自開発のヘリコン波励起プラスマスパッタエピタキシー(HWPSE)法を用います。いずれも、原子層レベルで平坦な表面・界面を持つ半導体の超薄膜やナノ構造のエピタキシャル成長が行えます。
 材料創成と平行し、形成したメゾスコピック/ナノ構造における電気・光学的特性を定量的に理解するため、フェムト秒パルスレーザやフェムト秒パルス集束電子線励起による時間・空間分解分光評価を行い、微細領域における励起子やキャリアダイナミクスの研究を行います。この光プローブを用いた材料物性研究に関しては、文科省や環境省の研究プロジェクトにて、産官学多くの共同研究機関から提供される構造体の評価も行っています。
 最近は扉ページのニュース欄に示す通り、パワーデバイス実現のキーテクノロジーであるイオン注入に関する研究が応用物理学会優秀論文賞を受賞したり、窒化アルミニウムインジウム自然形成超格子の自己組織化メカニズムを解明したり、ZnO微小共振器を作製し室温で共振器ポラリトンの発光観測に成功するなどの成果を挙げています。極最近の研究成果については「論文リスト」を参照してください。また、かなり古いデータですが、2014年ノーベル物理学賞受賞者となった中村修二教授をプロジェクトリーダーとし、本研究分野室長が不均一結晶評価グループリーダーを務め遂行された、科学技術振興機構創造科学技術推進事業(ERATO)中村不均一結晶プロジェクトの研究成果の一部がサイエンスチャネルで無料配信されています。このビデオは分りやすく作られているので高校、大学生の皆さんは是非ご覧ください。
 大学院連携講座は工学研究科応用物理学専攻です。他大学から入試を受ける場合、試験に合格すれば研究室定員制限はありません。

秩父研の研究対象

主な研究対象材料

「窒化物半導体」

 (B,Al,Ga,In)N半導体及び混晶を用いた光電子デバイスの研究

 窒化ガリウム(GaN)は InNやAlNと混晶化させることでバンドギャップエネルギーを0.65~6.04 eVまで変化させることが出来ます。このため光通信波長(近赤外線)、可視光、紫外線領域を全てカバーできる発光・受光素子材料として応用が可能です。
 最近では、窒化物半導体を用いた純青色・深紫外線領域で動作する発光素子開発が盛んに行われています。当研究室は2016年に、バルクGaN基板上に結晶成長させた非極性m面AlInNナノ構造による新しい深紫外線~緑色偏光光源を開発しました。(プレスリリース)

 酸性アモノサーマル法によるバルクGaN結晶成長

 アモノサーマル法は、人工水晶の製造に用いられている「水熱合成法」で溶媒として用いている超臨界水を、超臨界アンモニアで置き換えた窒化物の結晶成長法であり、高品質・大口径・安価なバルクGaN単結晶を製造する手法として非常に有望です。この方法では、通常の温度・圧力では溶解しない溶質を、高温・高圧の超臨界アンモニアに溶解させ、熱対流により輸送し、種結晶上に単結晶として再析出させます。
 東北大学と三菱ケミカル(株)および(株)日本製鋼所等の研究開発グループは、2002年から、世界に先駆けて「酸性アモノサーマル法」によるバルクGaN結晶成長に取り組んできました。超臨界アンモニアへのGaNの溶解度を高めるため、ハロゲン化アンモニウム (NH4X;X=F, Cl, Br, I)を酸性鉱化剤として用いることにより、高品質GaN結晶の高速成長に成功しています。また、工業化を実現すべく、酸性鉱化剤存在下における超臨界アンモニアの腐食環境に耐える圧力容器の大型化開発も推進中であり、大口径GaN基板の実用化に向け邁進しています。
 この手法で得られた結晶には貫通転位が殆ど無い領域があり、高性能LEDや半導体レーザー、パワーデバイス用の基板結晶として、国内外から大きな注目を集めています。

「酸化物半導体」

 酸化亜鉛(ZnO)は励起子の束縛エネルギーが59 meVと大きく、MgZnOとのヘテロ構造において「励起子効果」が顕著な高効率紫外線光源材料として、また超低閾値紫外線コヒーレント光源(ポラリトンレーザ)への応用が期待されています。

半導体のバンドギャップエネルギー

様々な半導体のバンドギャップエネルギー



酸性アモノサーマル法によるバルクGaN結晶

酸性アモノサーマル法によるバルクGaN結晶

研究テーマ

研究内容ダイジェストはTAGEN FOREFRONT 5巻の秩父研記事をご参照ください。