結晶配列欠陥が引き起こすGaAsBiナノワイヤ中の特殊量子構造形成

次世代のナノスケール通信帯域レーザー・量子光源・太陽電池材料として期待されるGaAs/GaAsBi/GaAsコア-マルチシェルヘテロ構造ナノワイヤの結晶構造について調べました。このナノワイヤは半導体結晶でできていますが、その中に双晶と呼ばれる、単原子層で原子配列が切り替わる線状の結晶欠陥が発生します。この存在によって誘発される特異な構造変形と、これによって形成される特徴的量子・ナノ構造について報告しました。

半導体ナノワイヤは、次世代の極微細電子デバイスを実現する基礎材料として注目されています。結晶を原子レベルで組み上げるエピタキシャル成長を導入することで、従来のSiプラットフォームに高速性、光特性に優れた化合物半導体ナノワイヤをSiプラットフォームに集積することも可能です。多くのレーザーや光増幅器、センサーなどに用いられるGaAs材料は、材料本来の素性から電子と光を変換する際にそのエネルギーが熱になってしまうオージェ再結合の問題があります。これを回避するために、Biを非常に薄く導入した希薄ビスマス材料:GaAsBiが近年期待を集めています。GaAsBi半導体をナノワイヤとする研究に、愛媛大学では世界に先駆けて成功しました。また、高精度な結晶成長・積層技術から、良好な結晶構造を保持しつつ、針状のナノワイヤ内部で鉛筆の芯のようにGaAsコアを持たせ、その周辺にGaAsBiGaAsを層状のバームクーヘンのように積層したナノワイヤを合成することにも成功しています。この積層構造は、レーザーやLED、太陽電池の基礎構造となります。

今回の論文では、GaAs/GaAsBi/GaAsコア-マルチシェルヘテロ構造ナノワイヤの結晶構造について詳細なその構造を調べました。その中で、双晶と呼ばれる、単原子層で原子配列が切り替わる線状の結晶欠陥が存在します。特にこの双晶の存在によって誘発される特異な構造変形と、Biがその部位に特異に凝集することを発見しました。Bi元素が多くなるぶいでは電子や光が集まることが知られており、ここで形成された特徴的ナノスケール構造が、これまでにない量子・ナノ材料となり得る可能性について報告しました。

参考 URL:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0013094

論文情報

Twin defect-triggered deformations and Bi segregation in GaAs/GaAsBi core–multishell nanowires, Teruyoshi Matsuda, Kyohei Takada, Kohsuke Yano, Satoshi Shimomura, Yumiko Shimizu, Fumitaro Ishikawa, Appl. Phys. Lett. 117, 113105, doi: 10.1063/5.001309, 2020 (September 18).

助成金等

  • 日本学術振興会 科学研究費補助金 (19H00855, 16H05970)

図表等

  • GaAsBiナノワイヤの顕微鏡写真

    GaAsBiナノワイヤの顕微鏡写真

    ナノワイヤ中の原子配列とBi元素の分布。表面に荒い変形が見られる外観と、内部の結晶構造。結晶の配列が切り替わる部位があると表面では大きく結晶構造が変形する。また、その部位:ほぼ原子一層の局所的にBiが凝集して、特徴的な量子・ナノ構造を形成する。

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