研究内容

浄水・通信用深紫外LEDの光物性評価
Optical characterization of deep-ultraviolet AlGaN LEDs

波長が300 nm[1]nm（ナノメートル）：「ナノ」は国際単位系の接頭辞であり、基準となる量の「10の-9乗（十億分の一）倍」を意味する。より短い深紫外（Deep ultraviolet: DUV）波長領域の光[2]深紫外（DUV）波長領域：光の波長のうち、およそ200 nmから300 nmの範囲のこと（明確な区切りはない）。は、病原体となる微生物を不活化する能力を持っています。このため、DUV光は医療や浄水、殺菌・消毒などの分野において有用です。現在、地球上には7億8,500万人もの人が、基本的な飲料水の提供すら受けられないまま暮らしています[3]https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/drinking-water。このため、低電圧かつ高効率に動作する固体DUV光源[4]固体光源：固体材料のみによって構成された光源のこと。真空容器やガスを用いないため、小型化・高効率化の面で有利。を低コストにて実現し、広く社会に実装することが重要と言えます。私たちは、このような要請にこたえるポテンシャルを持つ、窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）と呼ばれる材料[5]窒化アルミニウムガリウム(AlGaN) ：窒化アルミニウム（AlN）と窒化ガリウム(GaN)の中間的性質をもつ、いわゆる混晶と呼ばれる中間化合物である。にて構成されるDUV発光ダイオード（LED）の光物性評価を行っています。

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注釈：

  1. ^nm（ナノメートル）：「ナノ」は国際単位系の接頭辞であり、基準となる量の「10の-9乗（十億分の一）倍」を意味する。
  2. ^深紫外（DUV）波長領域：光の波長のうち、およそ200 nmから300 nmの範囲のこと（明確な区切りはない）。
  3. ^https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/drinking-water
  4. ^固体光源：固体材料のみによって構成された光源のこと。真空容器やガスを用いないため、小型化・高効率化の面で有利。
  5. ^窒化アルミニウムガリウム(AlGaN) ：窒化アルミニウム（AlN）と窒化ガリウム(GaN)の中間的性質をもつ混晶半導体。紫外波長領域に対応するバンドギャップエネルギーを持つ。

参考文献：

K. Kojima, Y. Nagasawa, A. Hirano, M. Ippommatsu, Y. Honda, H. Amano, I. Akasaki, and S. F. Chichibu,
"Carrier localization structure combined with current micropaths in AlGaN quantum wells grown on an AlN template with macrosteps",
Appl. Phys. Lett. 114, 011102 (2019).
DOI: 10.1063/1.5063735


小島一信, 長澤陽祐, 平野光, 一本松正道, 杉江隆一, 本田善央, 天野浩, 赤﨑勇, 秩父重英,
"マクロステップを持つc面AlN/サファイアテンプレート上に成長させたAlGaN量子井戸の物性評価",
日本結晶成長学会誌 (Journal of the Japanese Association for Crystal Growth) 47, 1-8 (2020).
DOI: 10.19009/jjacg.47-3-04

深紫外LEDを用いた背景光の影響を受けにくい高速光無線通信システム応用
High-speed solar-blind optical wireless communication system with deep-ultraviolet LEDs

第5世代移動通信システム（5G）の次世代技術として、LEDに代表される安価な光源に基づいた光無線通信技術が注目されています。DUV光には、地表における太陽放射にほぼ含まれていないという特徴があります。このためDUV波長帯は太陽光の影響を受けない、すなわち「ソーラーブラインド（太陽光不敏感）帯」として知られ、日中の屋外においても低雑音環境での光無線通信が期待できます。私たちは、DUV LEDを用いたGbps[1]Gbps（ギガビーピーエス）：1秒間に送信できる通信容量の単位のこと。 基本単位である1 bpsは、1秒間に1ビットのデータ量が送信できることを意味する。このため、1 Gbpsは1秒間に109ビットのデータ量が送信できることを意味する。 級高速光無線通信システムの実現や、DUV LEDの高速変調メカニズムの解明に取り組んでいます。


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注釈：

  1. ^Gbps（ギガビーピーエス）：1秒間に送信できる通信容量の単位のこと。 基本単位である1 bpsは、1秒間に1ビットのデータ量が送信できることを意味する。このため、1 Gbpsは1秒間に109ビットのデータ量が送信できることを意味する。

参考文献：

K. Kojima, Y. Yoshida, M. Shiraiwa, Y. Awaji, A. Kanno, N. Yamamoto, and S. F. Chichibu,
"1.6-Gbps LED-based ultraviolet communication at 280 nm in direct sunlight",
2018 European Conference on Optical Communication (ECOC) (2018).
DOI: 10.1109/ECOC.2018.8535544


Y. Yoshida, K. Kojima, M. Shiraiwa, Y. Awaji, A. Kanno, N. Yamamoto, S. F. Chichibu, A. Hirano, and M. Ippommatsu,
"An outdoor evaluation of 1-Gbps optical wireless communication using AlGaN-based LED in 280-nm band",
2019 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (2019).
DOI: 10.1364/CLEO_SI.2019.SM2G.1


K. Kojima, Y. Yoshida, M. Shiraiwa, Y. Awaji, A. Kanno, N. Yamamoto, A. Hirano, Y. Nagasawa, M. Ippommatsu, and S. F. Chichibu,
"Self-organized micro-light-emitting diode structure for high-speed solar-blind optical wireless communications",
Appl. Phys. Lett. 117, 031103 (2020).
DOI: 10.1063/5.0013112


小島一信, 秩父重英, 吉田悠来, 白岩雅輝, 淡路祥成, 菅野敦史, 山本直克, 長澤陽祐, 平野光,
"窒化アルミニウムガリウム深紫外発光ダイオードを用いたギガビット級ソーラーブラインド光無線通信",
月刊OPTRONICS 6月号 (2020). ISSN: 02869659

集積円偏光デバイスの開発
Integrated devices for circularly polarized light emission and detection

光は、"明るさ"や"色"に加えて、"偏光"という情報を含んでいます。偏光は、光の電場が時間の経過とともにどのような向きに振動するかを表したものです。このため、明るさや色と比較して偏光を日常生活の中で意識する機会はほとんどないですが、実はすでに、我々の生活にも応用されています。なかでも、「円偏光」は直線偏光とは異なり[1]偏光の種類：偏光の具体例として、ある平面内で電場が直線的に振動しながら進む直線偏光と、電場強度一定のまま電場の向きが回転する円偏光が挙げられます。、光の特性が座標軸の取り方に依存せず、散乱による影響を受けにくいという大きな特長があり、位置情報を正確に伝えるGPS等にも用いられています。円偏光は近い将来、次世代３Ｄテレビ、植物工場、セキュリティタグ、光情報通信、化学センサーなど、様々な分野への応用が期待されている一方で、その応用のほとんどは未だ実用化に至っていません。本研究室ではこのような状況を打破するため、単一素子で円偏光を効率よく生成・受光でき[2]単一円偏光素子：カメラなどに取り付けるような大きな光学素子を組み合わせるのではなく、微小な単一の半導体素子のみで、選択的に円偏光を発生・受光することができる光デバイス。、さらに集積化が可能な円偏光半導体デバイスの実現を目指して、光の位相制御に基づいた素子設計と実デバイス作製の両面から研究を推進しています。

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注釈：

  1. ^偏光の種類：偏光の具体例として、ある平面内で電場が直線的に振動しながら進む直線偏光と、電場強度一定のまま電場の向きが回転する円偏光が挙げられます。
  2. ^単一円偏光素子：カメラなどに取り付けるような大きな光学素子を組み合わせるのではなく、微小な単一の半導体素子のみで、選択的に円偏光を発生・受光することができる光デバイス。

参考文献：

Y. Murata, S. Ichikawa, S. Toda, Y. Fujiwara, and K. Kojima,
"Design of highly efficient InGaN-based circularly polarized LEDs integrated with Si3N4 metasurface",
The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14), LN2-6, Fukuoka, Japan (Nov. 2023).

村田 雄生, 市川 修平, 戸田 晋太郎, 藤原 康文, 小島 一信, 中川 貴,
"Si3N4メタサーフェスを利用した半極性(2021) InGaN円偏光素子の設計'',
第70回応用物理学会春季学術講演会, 15p-B401-8, 上智大学四谷キャンパス (March 2023).


鈴木 恭平, 村田 雄生, 市川 修平, 戸田 晋太郎, 毎田 修, 小島 一信,
"ナノピラー型メタ表面を用いた円偏光InGaN発光素子の設計'',
第70回応用物理学会春季学術講演会, 15p-B401-7, 上智大学四谷キャンパス (March 2023).

半導体評価技術「全方位フォトルミネセンス（ODPL）分光法」の深化と応用
Development and application of omnidirectional photoluminescence (ODPL) spectroscopy

持続可能な社会を実現するためには、限りあるエネルギー資源の高効率な利活用技術の開発が必要です。例えば、鉄道や電気自動車のような電力を強い動力に変換して利用する応用では、高耐圧かつ低損失にて電流の整流や電圧変換を行うダイオードやトランジスタといった電子デバイスが重要です。また、照明や通信、太陽光発電などの分野においては、電気エネルギーと光エネルギーとを相互に変換するLEDや半導体レーザ[1]半導体レーザ：光通信やCD・DVDなどの光メディアの情報読み込み・書き込みなどに利用される、指向性の高いレーザ光を放出する半導体光デバイスのこと。、太陽電池といった光デバイスの高効率化が不可欠です。これら半導体デバイスは、ウェハと呼ばれる結晶基板上に作られるため、デバイスの性能はウェハの構成材料となる結晶の品質に左右されると言っても過言ではありません。なかでも窒化ガリウム（GaN）は、高性能な電子デバイスや光デバイスの製造に適する材料の一つとして注目され、国内外における高品質GaNウェハの開発競争が激化している状況にあります。

一方、半導体デバイスの普及には大型ウェハを用いた量産化が必要です。GaNの場合、直径6インチ（約152 mm）以上の円形状ウェハが望まれています。このような大型GaNウェハの品質管理には、ウェハ全面を高速かつ高感度にて検査ができる評価手法が必須です。私たちは、このような要請にこたえることができる半導体結晶の高精度な評価技術「全方位フォトルミネセンス（ODPL）分光[2]分光：計測対象となる光をその成分（波長もしくはエネルギー）ごとに分析する技術。法」を開発しています。

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注釈：

  1. ^半導体レーザ：光通信やCD・DVDなどの光メディアの情報読み込み・書き込みなどに利用される、指向性の高いレーザ光を放出する半導体光デバイスのこと。
  2. ^分光：計測対象となる光をその成分（波長もしくはエネルギー）ごとに分析する技術。

参考文献：

K. Kojima, T. Ohtomo, K. Ikemura, Y. Yamazaki, M. Saito, H. Ikeda, K. Fujito, and S. F. Chichibu,
"Determination of absolute value of quantum efficiency of radiation in high quality GaN single crystals using an integrating sphere",
J. Appl. Phys. 120, 015704 (2016).
DOI: 10.1063/1.4955139

K. Kojima, K. Ikemura, and S. F. Chichibu,
"Quantification of the quantum efficiency of radiation of a freestanding GaN crystal placed outside an integrating sphere",
Appl. Phys. Express 12, 062010 (2019).
DOI: 10.7567/1882-0786/ab2165

K. Kojima, K. Ikemura, and S. F. Chichibu,
"Temperature dependence of internal quantum efficiency of radiation for the near-band-edge emission of GaN crystals quantified by omnidirectional photoluminescence spectroscopy",
Appl. Phys. Express 13, 105504 (2020).
DOI: 10.35848/1882-0786/abb788

ODPL分光法を応用した製品（浜松ホトニクス株式会社）
https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/type/C15993-01/index.html

全方位フォトルミネセンス（ODPL）分光法を用いた半導体結晶の評価
https://doi.org/10.11470/oubutsu.90.12_726

発光冷却デバイス実現に向けたペロブスカイト半導体の物性評価
Characterization of perovskite semiconductors toward optical cooling

半導体材料に基づく電子デバイスや光デバイスにおいては省エネ化、すなわち低損失・高効率化を目指した開発が主流です。例えばパワートランジスタの電力変換損失はわずか数%に抑制されており、青色LEDの発光効率は80%を超えるという報告もあります。一方、熱エネルギーを電気的に制御する熱電変換素子に関しても、多結晶半導体や金属材料を用いた研究がありますが、上で述べたような半導体デバイスの各種効率に比して低い水準にあるのが現状です。

私たちは現在、高効率太陽電池向け結晶として知られるハロゲン化金属ペロブスカイト半導体の輻射内部量子効率（IQE）を100%に近づける取り組みを進めています。IQEとは、結晶中に励起された電子正孔対が光子を発生する確率であり、仮に100%に近い場合は発光冷却現象[1]発光冷却[A. N. Oraevsky, J. Russian laser research 17, 471 (1996).]とは、発光体をそのバンドギャップエネルギー（E1）よりやや低いエネルギー（E2）で光励起（もしくは電気的にバイアス）したとき、発光によって生じた外界へ輻射される光子が物質から熱エネルギーを奪う（光子一つ当たりE1 - E2のエネルギーを奪う）ことにより、物質の温度が低下する現象。による物質の冷却が期待できます。

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注釈：

  1. ^発光冷却[A. N. Oraevsky, J. Russian laser research 17, 471 (1996).]とは、発光体をそのバンドギャップエネルギー（E1）よりやや低いエネルギー（E2）で光励起（もしくは電気的にバイアス）したとき、発光によって生じた外界へ輻射される光子が物質から熱エネルギーを奪う（光子一つ当たりE1 - E2のエネルギーを奪う）ことにより、物質の温度が低下する現象。

参考文献：

K. Kojima, K. Ikemura, K. Matsumori, Y. Yamada, Y. Kanemitsu, and S. F. Chichibu, "Internal quantum efficiency of radiation in a bulk CH3NH3PbBr3 perovskite crystal quantified by using the omnidirectional photoluminescence spectroscopy'',
APL Materials 7(7), 071116 (2019).
DOI: 10.1063/1.5110652

Y. Kajino, S. Otake, T. Yamada, K. Kojima, T. Nakamura, A. Wakamiya, Y. Kanemitsu, and Y. Yamada,
"Anti-Stokes photoluminescence from CsPbBr3 nanostructures embedded in a Cs4PbBr6 crystal",
Phys. Rev. Materials 6, L043001 (2022).
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.L043001

「時間分解２光子光電子分光法」を利用した次世代半導体材料の物性解明
Time-resolved two-photon photoemission spectroscopy for characterization of next-generation semiconductor materials

近年、超短パルスレーザを用いた分光技術の開発により、物質中の高速な物理現象の解明が可能になりつつあります。固体中では、電子の相互作用や緩和過程が、数フェムト秒[1]フェムト秒：10-15秒を意味します。光は1秒間に地球7周半できるほど高速ですが、その光でさえも1フェムト秒の間には、人間の髪の毛の太さの200分の1程度しか進むことができません。一方でナノ秒は、10-9秒を指します。～数百フェムト秒の時間スケールで起こることが知られており、半導体デバイスに注入された電子がエネルギー失活するまでの動的挙動を解明するためには、フェムト秒～ナノ秒程度の高精度な時間分解評価が求められています。本研究室では、フェムト秒パルスレーザ発生装置と光電子分光[2]光電子分光：試料表面に光やX線を照射することで試料内部の電子を真空中に弾き出し、その放出された電子の数や運動エネルギーを観測することで、試料の電子状態を評価する手法。装置を組み合わせることで、「時間分解２光子光電子分光[3]時間分解２光子光電子分光：パルスレーザを二手に分け、一方のパルスを試料の励起に用い、もう一方のパルスに光路差をつけて試料に照射する「二光子励起過程」により、試料から光電子を放出させる。ポンプ・プローブ分光方式の一種であり、時間分解解析が可能な光電子分光測定。」測定系を実現し、窒化ガリウム（GaN）系半導体をはじめとする、次世代半導体材料中の電子の動的評価に取り組んでいます。とくに、半導体中の結晶欠陥がデバイス動作に及ぼす影響の解明にむけて、装置開発と物性評価の両面から研究を推進しています。

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注釈：

  1. ^フェムト秒：10-15秒を意味します。光は1秒間に地球7周半できるほど高速ですが、その光でさえも1フェムト秒の間には、人間の髪の毛の太さの200分の1程度しか進むことができません。一方でナノ秒は、10-9秒を指します。
  2. ^光電子分光：試料表面に光やX線を照射することで試料内部の電子を真空中に弾き出し、その放出された電子の数や運動エネルギーを観測することで、試料の電子状態を評価する手法。
  3. ^時間分解２光子光電子分光：パルスレーザを二手に分け、一方のパルスを試料の励起に用い、もう一方のパルスに光路差をつけて試料に照射する「二光子励起過程」により、試料から光電子を放出させる。ポンプ・プローブ分光方式の一種であり、時間分解解析が可能な光電子分光測定。

参考文献：

S. Ichikawa, Y. Fujiwara, and K. Kojima,
"Visualization of Excited-Electron Relaxation in InGaN Quantum Wells using Time-Resolved Two-Photon Photoemission Spectroscopy",
International Workshop on Nitride Semiconductors 2022, AT 003, Berlin, Germany (Oct. 2022).

市川 修平, 毎田 修, 小島 一信,
"二光子光電子分光によるGaAs(110)における表面再結合寿命の評価",
第42回ナノテスティングシンポジウム NANOTS 2022, (15), 千里ライフサイエンスセンター 豊中市 (Nov. 2022).

市川 修平, 松田 祥伸, 道上 平士郎, 毎田 修, 船戸 充, 川上 養一, 小島 一信,
"時間分解二光子光電子分光法によるInGaN (0001)の表面キャリア寿命測定",
第70回応用物理学会春季学術講演会, 16a-B401-5, 上智大学四谷キャンパス (March 2023).

S. Ichikawa, Y. Matsuda, H. Dojo, M. Funato, Y. Kawakami, and K. Kojima,
"Surface carrier lifetime of (0001) InGaN assessed by time-resolved photoemission spectroscopy",
The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14), CH1-2, Fukuoka, Japan (Nov. 2023).

ダイヤモンド半導体結晶品質評価法の開発
Development of evaluation method for diamond semiconductor crystal

次々世代のパワーデバイスや高周波デバイスとして期待されるダイヤモンド電子デバイスの実現にはホモエピタキシャルCVD薄膜の更なる高品質化が不可欠です。従来は、主としてカソードルミネセンスやフォトルミネセンスにより、ダイヤモンド中の発光過程を探求することにより、その高品質化に必要な要因を明らかにしてきました。しかし、CVDダイヤモンド膜の高品質化が進展すると、従来の発光過程に基づく欠陥評価法では検出できない非発光欠陥の評価やその制御が重要になってきています。そこでワイドギャップ半導体の非発光欠陥評価に適切な評価システムの開発を行うとともに、そのような評価を通してCVDダイヤモンド薄膜の更なる高品質化に関わる主要因子探索を行っています。

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参考文献：

望月 梧生, 毎田 修, 金 聖祐, 加藤 学, 小山 浩司, 本田 達也, 市川 修平, 小島 一信,
"Ir/sapphire基板上ヘテロエピタキシャル成長(001)面ダイヤモンド膜の断面SEM像に見られる縞状コントラストの分析",
第84回応用物理学会秋季学術講演会, 21p-C402-4, 熊本城ホール他 (Sep. 2023).

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