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A01 計画研究

A01-1:非平衡状態の時間ドメイン制御による特異構造の創製

  • 研究代表者:藤岡 洋(東京大学・教授・A01総括)
  • 研究分担者:徳本 有紀(東京大学・講師)

研究代表者が開発してきたパルス励起堆積法と呼ばれる結晶成長では、高い励起(非平衡)状態にある原料の供給を電気的パルスで1000万分の1原子層(100ナノ秒)の精度でコンピュータ制御できます。従来手法では、シャッターなどの機械的部品を用いて原料供給を制御していたので、1原子層程度(1秒)の制御しかできませんでしたが、この新手法を用いると結晶中に0次元から3次元までの任意の形状の特異構造をコンピュータプログラムによって導入可能です。研究分担者は極微領域の構造解析を行い、解析結果を試料作製グループにフィードバックすることで特異構造形成技術の完成に協力します。

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A01-2:平衡状態に基づくトップダウン法による特異構造の創製

  • 研究代表者:三宅 秀人(三重大学・教授)
  • 研究分担者:荒木 努(立命館大学・教授)
  • 研究分担者:宮川 鈴衣奈(名古屋工業大学・助教)

格子不整合の大きいヘテロ接合界面で生じる応力や転位を選択成長や加工基板などのトップダウン法により制御します。結晶成長はMOVPE法とHVPE法を三重大が、MBE法を立命館大が行います。それぞれの結晶成長法の特長を生かしてGaNやAlN、及びそれらの混晶AlGaNをサファイアやSiなどの異種基板上に成長を行います。名工大は基板の加工と評価を担当します。その際に生じる歪みを歪み超格子層(ヘテロボンド層)の挿入や基板加工や選択成長により、意図的に転位やボイドを形成して、歪みの緩和を行います。また、転位の発生、伝搬、消失過程について詳細な解析を行います。ナノ構造、混晶材料の成長に取り組み、特異構造導入で見出される物性を把握し、それを制御する成長及びプロセス技術を開拓します。

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A01-3:多次元・マルチスケール特異構造の作製と作製機構の解明

  • 研究代表者:上山 智(名城大学・教授)
  • 研究分担者:竹内 哲也(名城大学・教授)
  • 研究分担者:岩谷 素顕(名城大学・准教授)
  • 研究分担者:本田 善央(名古屋大学・准教授)

本研究グループでは、科学研究費特定研究、特別推進研究、基盤研究Bさらには若手研究Aをはじめとした様々な研究課題を通じ、低温AlN中間層及び凹凸形成基板による高品質AlGaNの作製(特異基板)、特異ナノ構造の導入による高品質GaInNの作製、さらにはアンチモン等異種元素の活用などを進めてきました。これらの意図的かつ制御されたマイクロメートルからサブナノメートルのマルチスケール特異構造(特異元素・特異ナノ構造・特異基板)は、世界最短波長・紫外半導体レーザ(発表当時)や高効率紫外LED、紫外線ディテクターさらには窒化物半導体太陽電池など革新的なデバイスを実現してきました。今後、さらにこの分野を発展させ新たな学問分野にするためには、これらの特異構造の理解、さらにはマルチスケール化・多次元化が必要不可欠です。本研究課題では、結晶成長中にX線や多色レーザ光を用いたその場観察技術を駆使し、これらマルチスケール特異構造の物性・機構を解明・理解しそれによって新しい学問として発展させます。さらにはその物理を理解することによって、新たに多次元・マルチスケール特異構造を創出し、新しい結晶材料科学の創生に貢献します。

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A01-4:化学平衡・非平衡制御による特異構造のボトムアップ創製

  • 研究代表者:熊谷 義直(東京農工大学・教授)
  • 研究分担者:村上 尚(東京農工大学・准教授)
  • 研究分担者:山口 智広(工学院大学・准教授)
  • 研究分担者:小西 敬太(東京農工大学・特任助教)

安定相の結晶構造が異なるワイドバンドギャップIII族酸化物半導体結晶群の化学平衡・非平衡下成長を、高純度結晶の高速成長に適するハライド気相成長法で検討します。原料部で生成したIII族ハライド分子を、成長部で含酸素分子種と化学平衡・非平衡下で反応させます。実験と計算化学の協調で、準安定相の発現を利用するIII族酸化物結晶の相整合混晶成長でバンドエンジニアリングの道を拓きます。また、安定相と準安定相が混在する二次元特異面形成とそれに続く安定相優勢成長でヘテロ界面の応力・転位伝播の制御(三次元特異構造)技術を確立します。解析グループ(B01,B02)と連携し物性・構造を解析し、成果を新規デバイス展開技術としてデバイスグループA02へ提供します。

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A01-5:計算科学によるヘテロボンドの理論的材料設計

  • 研究代表者:伊藤 智徳(三重大学・教授)
  • 研究分担者:平松 和政(三重大学・教授)
  • 研究分担者:秋山 亨(三重大学・准教授)
  • 研究分担者:河村 貴宏(三重大学・助教)
  • 研究分担者:寒川 義裕(九州大学・准教授)

伊藤・秋山(三重大)は特異構造『基』であるヘテロボンドの性質を電子構造に注目して理論解析するとともに、特異構造『場』としての表面(2次元欠陥)ならびにその寄与が大きいナノ構造を中心に、ヘテロボンド導入による積層・組成変調、結晶構造変換、制御について成長条件をパラメータとする検討を行う。寒川(九大)・河村(三重大)は、特異構造『場』としての界面(2次元欠陥)、転位(1次元欠陥)を中心にヘテロボンド導入過程を検討、加工基板(3次元欠陥)も対象に界面・表面偏析、面内組成変調について理論予測を行う。計算手法としては、,第一原理計算、量子統計化学手法を基盤として、モンテカルロ法、分子動力学法を併用する。また平松(三重大)のリアルタイム結晶ひずみ解析と有機的に結合することで、ヘテロボンドに注目した『基』と『場』の相互作用を解明、各種欠陥を活用した特異構造創成指針を確立する。

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A01 公募研究

A01-17-1:窒化物半導体極性制御特異構造の非線形光学素子応用

  • 研究代表者:片山 竜二(大阪大学・教授)

近年、高効率な深紫外光源の実現に向け、バンド端発光によるレーザ開発と並行して波長変換による深紫外光発生法の開発が求められています。また量子情報分野において、集積化に有利で安定性に優れた小型量子光源が求められています。これらの非線形光学デバイスは、窒化物半導体における反転対称性の欠如に起因した強い二次光学非線形性を利用し、c軸方位を局所的に制御した極性反転構造を作製することで実現できます。本研究では窒化物半導体の「極性反転」という特異構造の更なる理解と制御技術の確立を行い、積極活用することで、青色レーザ励起深紫外第二高調波発生や量子もつれ光子対発生など、新規な波長変換素子の開発をめざします。

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A01-17-2:窒化物半導体超薄膜における構造多形の成長と物性

  • 研究代表者:高橋 正光(量子科学技術研究開発機構・グループリーダー)

III-V族半導体などイオン性を持つ化合物半導体の極性面は、静電エネルギーが発散し、本質的に不安定です。そのため、結晶内部に比べて構造自由度の大きい最表面層や超薄膜では、バルクと異なる結晶構造が出現し、新しいデバイスなどへの応用も期待できます。このような表面・超薄膜に特有な特異構造を活用するには、精密な構造の決定と、それに基づく基礎的物性の理論的・実験的検証が不可欠です。本研究では、シンクロトロン放射光を利用したその場測定技術を用いた、III族窒化物の表面・超薄膜の原子座標の定量決定や分光測定を通じて、特異構造形成の物理的機構と基礎物性を解明します。

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A01-17-3:自己形成ボイドを用いた応力緩和による異種基板上への高品質結晶成長技術の開発

  • 研究代表者:出浦 桃子(東京大学・助教)

従来の薄膜成長では、欠陥や表面凹凸のない高品質基板を用いることが常識でした。本研究では、基板表面近傍に存在する「ボイド(空隙)」という特異構造を用いて応力緩和させることにより、異種基板上への高品質結晶成長技術を実現することを最終目標として、Si基板上の窒化物半導体成長で解析・実証します。そのために、まずSi基板表面炭化によりSiC薄膜直下に自己形成されるボイドを積極的に利用して、「表面平坦な自己形成ボイドSiC/Si基板」を実現します。その上に高品質窒化物半導体層を成長し、内部応力と成長層の結晶性との関係を定量的に解析することにより、材料によらない普遍的な学理を構築することを目指します。

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A01-17-4:バルクSiC結晶中の積層欠陥のアクティブ制御

  • 研究代表者:原田 俊太(名古屋大学・講師)

炭化ケイ素(SiC)結晶中の積層欠陥はキャリアの再結合により拡張することが知られていますが、そのメカニズムは明らかになっていません。転位論に基づいて考えると、積層欠陥が室温で拡張するためには、(1) 積層欠陥エネルギーが低下し負になることと、(2) 積層欠陥を縁取る部分転位のパイエルスポテンシャルが低下すること、が必要です。そこで、本研究では、紫外線照射による積層欠陥拡張のトポグラフィその場観察と積層欠陥におけるライフタイム測定を行い、転位論と半導体物理をブリッジングする物理モデルを構築し、積層欠陥のアクティブ制御の実現を目指します。

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A01-17-5:機能性酸化物における非対称傾斜歪場及び秩序・無秩序人工格子による特異構造創出

  • 研究代表者:田畑 仁(東京大学・教授)

機能性酸化物の多彩な物性とイオン結合の高い結晶歪許容性を生かし、近年明らかになってきたStrain-gradient(傾斜歪)効果を生かした、Flexsoelectrisityによる双極子とスピン結合による新規マルチフェロ物質創成を実現します。鉄系機能性酸化物薄膜を対象として、基板との格子ミスマッチ誘起の傾斜格子歪導入により空間反転対称性の破れを実現します。これによりフォノンソフト化:双極子強結合 (強誘電性)の発現と、傾角スピンと中心対称の破れの相乗効果によるDzyloshinski-Moriya(DM)相関によりスピン・フォノン結合型マグノン誘起とマルチフェロ物性の創発を目指します。

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A01-17-6:チタン酸カルシウム微結晶の特異構造と光触媒活性の相関の解明

  • 研究代表者:吉田 寿雄(京都大学・教授)

光触媒は光によって励起すると触媒作用を示す物質です。最近、我々は、チタン酸カルシウムの微結晶を光触媒として用いることによって、二酸化炭素を一酸化炭素と酸素に分解することに成功しています。また一方で、チタン酸カルシウム微結晶に、少量の異元素をドープしたところ、そのドープ率によって、微結晶が大きく成長したり、小さくなったりすることを見出しました。光触媒反応の効率は、結晶の構造の完全性・不完全性とそれに基づく電子状態、反応場を与える表面の状態などに大きく影響されると考えられるので、これらの関係を解明することを目指します。

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