超ワイドギャップ半導体の基礎光物性解明と
新機能性発現に向けた深紫外時空間分解分光法の開拓

石井 良太

国立大学法人京都大学 大学院工学研究科 電子工学専攻
助教

石井 良太

※ 所属、役職等は受賞当時のものです

研究概要

次世代半導体デバイス材料として超ワイドギャップ(または超ワイドバンドギャップ※1)半導体材料に注目が集まっている。超ワイドギャップ半導体とはダイヤモンド、Ga2O3(酸化ガリウム)、およびAlN(窒化アルミニウム)に代表される極めて大きなバンドギャップ(禁制帯幅)を有する材料群のことであり、これらを用いた深紫外発光デバイス※2や超低損失・高耐圧パワーデバイスの実現が期待されている。
しかしながら、例えば発光デバイスに着目すると、超ワイドギャップ半導体を用いた深紫外発光デバイスの発光効率※3は極めて低いのが現状である。石井氏は、超ワイドギャップ半導体の物性理解が未だ不完全であることがその一因と捉え、さらには超ワイドギャップ半導体の分析・計測技術の1つである深紫外分光技術※4が未成熟であることに着目した。そして、摂動※5(応力・電場)下深紫外分光法の開拓や世界最短波長で動作する深紫外近接場光学顕微鏡※6を開発することで、AlNの励起子構造※7を世界に先駆けて提案し、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)結晶に内在する発光性欠陥中心の発見などを行った。これらの超ワイドギャップ半導体基礎光物性と深紫外時空間分解分光法※8の開拓に関する研究は、今後の超ワイドギャップ半導体光電子デバイス開発を大きく加速することが期待される。

1 バンドギャップ: 電子に占有された最も高いエネルギーバンド(価電子帯)の頂上と,電子に占有されていない最も低いエネルギーバンド(伝導帯)の底の間のエネルギー差。半導体の電気や光の性質を決める重要な要素。
2 深紫外発光デバイス: 深紫外領域の光を放出するデバイス。深紫外領域は、波長が非常に短く、一般的な可視光よりもエネルギーが高い領域。
3 発光効率: デバイスが入力された電力に対して、どれだけ多くの光を出力できるかを示す指標。
4 深紫外分光技術: 深紫外領域の光を使用して材料の性質を分析するための技術。材料が深紫外光にどのように反応するかを測定することで、材料の特性や構造を理解することができる。
5 摂動: 外部から与えられる力や電場の変化のこと。摂動下では、材料の特性や挙動が変化することがある。
6 近接場光学顕微鏡: 高分解能な顕微鏡で、光の回折による空間分解能の限界を超えて微小な構造を観察が可能。
7 励起子構造: 半導体材料中で電子と正孔が結合した状態のこと。励起子は、光や電場などのエネルギーを吸収して生成され、特定のエネルギー状態を持つ。
8 深紫外時空間分解分光法:材料からの深紫外領域の光応答を時間軸・空間軸・エネルギー軸に分解して試料の物性を分析する手法。
1 バンドギャップ: 電子に占有された最も高いエネルギーバンド(価電子帯)の頂上と,電子に占有されていない最も低いエネルギーバンド(伝導帯)の底の間のエネルギー差。半導体の電気や光の性質を決める重要な要素。
2 深紫外発光デバイス: 深紫外領域の光を放出するデバイス。深紫外領域は、波長が非常に短く、一般的な可視光よりもエネルギーが高い領域。
3 発光効率: デバイスが入力された電力に対して、どれだけ多くの光を出力できるかを示す指標。
4 深紫外分光技術: 深紫外領域の光を使用して材料の性質を分析するための技術。材料が深紫外光にどのように反応するかを測定することで、材料の特性や構造を理解することができる。
5 摂動: 外部から与えられる力や電場の変化のこと。摂動下では、材料の特性や挙動が変化することがある。
6 近接場光学顕微鏡: 高分解能な顕微鏡で、光の回折による空間分解能の限界を超えて微小な構造を観察が可能。
7 励起子構造: 半導体材料中で電子と正孔が結合した状態のこと。励起子は、光や電場などのエネルギーを吸収して生成され、特定のエネルギー状態を持つ。
8 深紫外時空間分解分光法:材料からの深紫外領域の光応答を時間軸・空間軸・エネルギー軸に分解して試料の物性を分析する手法。
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研究内容紹介動画