研究内容research
原子レベル構造制御で新概念の電子材料を創造する
物質が数100nm（ナノメートル, ＝1/10億 メートル）以下のサイズになると, 普通の大きさとは大きく異なる性質が現れるようになります。現在の半導体技術は, このようなサイズでトランジスタやレーザーが作られ, スマートフォンなど身近な電子機器に使用されています。III-V属半導体エピタキシャル成長, ダイヤモンドも合成可能な高温・高圧合成法を技術基盤に, 電気を利用したあらゆる場面で機能を発揮する半導体に興味を持ち, 既存性能を凌駕し, 次世代電子デバイスを生み出すナノスケール半導体材料の開拓を目指します。
- ナノワイヤ
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半導体/酸化物複合ナノワイヤ
半導体と酸化物を組み合わせることで, それらの特徴を融合した, 新機能ナノワイヤの実現とその応用を目指しています。本研究では化合物半導体GaAsと酸化物AlGaOxコア-シェル構想ナノワイヤの合成に成功するとともに, そこから酸化物のナノ粒子に起因して発生する特徴的な白色発光を発見しました。さらに同ワイヤ群からの室温発光過程について検証し, 新しい白色光源としての可能性を示しました。
参考： ・(Al,Ga)Ox microwire ensembles on Si exhibiting luminescence over the entire visible wavelength range, F. Ishikawa*, P. Corfdir, U. Jahn, O. Brandt, Advanced Optical Materials, 4, 2017, 2016. , Also highlighted as Frontispiece. ・Selective synthesis of compound semiconductor/oxide composite nanowires, H. Hibi, M. Yamaguchi, N. Yamamoto, and F. lshikawa*, Nano Letters, 14, 7024, 2014. -
希釈窒化物および希釈ビスマス半導体ナノワイヤ
化合物半導体GaAsは従来高速トランジスタや光通信用高性能半導体レーザーやその光検出などに用いられる高機能材料です。近年同半導体にBiやNを導入した混合結晶GaAsBiおよびGaAsNとすることで, 特に通信帯域の発光効率や温度安定性の劇的向上が予測され，その高品質結晶合成やレーザー応用が試みられています。私たちは初めてGaNAsナノワイヤ, GaAsBiナノワイヤの結晶合成にそれぞれ成功するとともに，同結晶の構造・光学的特徴を明らかにしました。また，GaNAsナノワイヤのレーザー発振にも成功しました。
参考： ・Controlling Bi Provoked Nanostructure Formation in GaAs/GaAsBi Core–Shell Nanowires, Teruyoshi Matsuda, Kyohei Takada, Kosuke Yano, Rikuo Tsutsumi, Kohei Yoshikawa, Satoshi Shimomura, Yumiko Shimizu, Kazuki Nagashima,Takeshi Yanagida, Fumitaro Ishikawa, Nano Letters, 19, 8510, 2019. ・Near-Infrared Lasing at 1 µm from a Dilute Nitride-Based Multishell Nanowire, Shula Chen, Mitsuki Yukimune, Ryo Fujiwara, Fumitaro Ishikawa, Weimin M Chen, and Irina A Buyanova, Nano Letters, 19, 885, 2019. ・N-induced Quantum Dots in GaAs/Ga(N,As) Core/Shell Nanowires: Symmetry, Strain, and Electronic Structure, M. Jansson, F. Ishikawa, W. M. Chen, I. A. Buyanova, Physical Review Applied, 10, 044040, 2018. ・GaAs/GaNAs core-multishell nanowires with nitrogen composition exceeding 2%, Mitsuki Yukimune, Ryo Fujiwara, Hiroya Ikeda, Kohsuke Yano, Kyohei Takada, Mattias Jansson, Weimin Chen, Irina Buyanova, and Fumitaro Ishikawa, Applied Physics Letters, 113, 011901, 2018. ・Dilute Nitride Nanowire Lasers Based on a GaAs/GaNAs Core/Shell Structure, Shula Chen, Mattias Jansson, Jan E. Stehr, Yuqing Huang, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova, Nano Letters, 17, 1775, 2017. ・Strongly polarized quantum-dot-like light emitters embedded in GaAs/GaNAs core/shell nanowires, S Filippov, M Jansson, J E Stehr, J Palisaitis, P Persson, F Ishikawa, W M Chen, I Buyanova, Nanoscale, 8, 15939, 2016. ・Metamorphic GaAs/GaAsBi heterostructured nanowires, F. Ishikawa, Y. Akamatsu, K. Watanabe, F. Uesugi, S. Asahina, U. Jahn, and S. Shimomura, Nano Letters, 15, 7265, 2015. ・Suppression of non-radiative surface recombination by N incorporation in GaAs/GaNAs core/shell nanowires, S. L. Chen, W. M. Chen, F. Ishikawa, and I. A. Buyanova, Scientific Reports, 5, 11653, 2015. ・Growth of dilute nitride GaAsN/GaAs heterostructure nanowires on Si substrates, Y. Araki, M. Yamaguchi, and F. Ishikawa, Nanotechnology, 24, 065601, 2013.
- 高温・高圧合成による
「半導体ダイヤモンド」の実現 -
愛媛大学独自の合成技術で半導体材料としてのダイヤモンドを確立する！
愛媛大学では世界最大級の超高圧発生装置で, 通常のダイヤモンドよりも高硬度なナノ多結晶ダイヤモンド“ヒメダイヤ”の合成や, その高品質化・大型化に成功しています。本プロジェクトではこのヒメダイヤ高温・高圧合成技術を有する地球深部ダイナミクス研究センターと連携し, これを半導体作製技術として応用することで, 新電子デバイス材料としての「半導体ダイヤモンド」を確立します。 ※下は最初に試作したダイヤモンドの断片(左)と, 偶然発生したマイクロスケールのピラミッド型ダイヤモンド（右, 第10回JSAPフォト&イラストコンテスト 優秀賞受賞)
ダイヤモンドは物質中で最高の熱伝導度や硬度に加え, 優れた半導体としての特性を併せ持ち, 究極の半導体とも呼ばれています。現在省エネルギー素子として大きく期待される電力変換パワー半導体デバイスは, 家電から各種輸送機器に至るまで, 従来のSiから, SiCや青色LEDへも利用されるGaNといった新半導体材料へ次々と置き換えられています。その中で, それら材料を今後凌駕する可能性は, 現在ダイヤモンドが唯一無二に有しています。そのような中本研究では, 愛媛大学で発明, 確立されたヒメダイヤ合成技術を用い, 高い半導体特性を持つダイヤモンドを作製するとともに, 特に困難とされる, ダイヤモンド合成時点で電気伝導性のコントロールを可能とする技術確立に取り組みます。これにより, ダイヤモンド合成体そのものを未加工でデバイスへ応用可能とするような, 画期的産業応用型半導体ダイヤモンドを実現します。ひいては次世代の高性能パワー半導体への展望を拓くことで, 低消費エネルギー, 安心, 安全社会に貢献することを目指します。
参考： ・Pulsed laser irradiation as a process of conductive surface formation on nanopolycrystalline diamond, Rei Fukuta, Naoya Yamamoto, Fumitaro Ishikawa, Masafumi Matsushita, Tsuyoshi Yoshitake, Hiroshi Ikenoue, Hiroaki Ohfuji, Toru Shinmei, Tetsuo Irifune, Japanese Journal of Applied Physics, 57, 118004, 2018. ・Electronic properties of nano-polycrystalline diamond synthesised by high-pressure and high-temperature technique, Rei Fukuta, Fumitaro Ishikawa,Akihiro Ishikawa, Kohsuke Hamada, Masafumi Matsushita, Hiroaki Ohfuji, Toru Shinmei, Tetsuo Irifune, Diamond and Related Materials, 84, 66, 2018.
