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原子レベル構造制御で新概念の半導体を創造する
原子レベル構造制御で新概念の半導体を創造する
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, 目で見えるような一般的なサイズと大きく異なる性質が現れます。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。光機能に優れたIII-V属半導体分子線エピタキシャル成長を技術基盤に, 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, 次世代を導くナノスケール半導体材料の開拓を目指します。
参考：
Exploring novel compound semiconductor nanowires, Fumitaro Ishikawa, JSAP Review 2024, 240403-1-6, 2024.
化合物半導体ナノワイヤのシリコン基板上大面積・大容量合成
化合物半導体ナノワイヤのシリコン基板上大面積・大容量合成
GaAsは高い光電変換効率を有する化合物半導体で、高性能の太陽電池や通信帯域レーザー、センサーなどに利用される材料です。
私達は分子線エピタキシー法によるGaAs結晶成長において、構成元素であるGaの自己触媒作用を有効利用し、簡便に針状のナノスケール結晶GaAsナノワイヤを２インチシリコン基板全面に大容量成長することに成功しました。基板上には約７億本の高品質なナノワイヤが得られ、シリコン基板全域でGaAs基板と同程度以上の良好な発光特性を示しました。ナノワイヤによる光散乱とGaAsの高効率な光吸収が機能することで可視全域で98%の光吸収を示し、表面は「真っ黒」な見た目になります。
参考：
Anti-reflective and luminescent GaAs/AlGaAs core–shell nanowires on Si wafer with 1 ns carrier lifetime up to 400 K , Keisuke Minehisa, Hidetoshi Hashimoto, Kaito Nakama, Hiroto Kise, Shino Sato, Junichi Takayama, Satoshi Hiura, Akihiro Murayama, Fumitaro Ishikawa, Journal of Applied Physics 137, 034301, 2025.
Wafer-scale integration of GaAs/AlGaAs core–shell nanowires on silicon by the single process of self-catalyzed molecular beam epitaxy, Keisuke Minehisa, Ryo Murakami, Hidetoshi Hashimoto, Kaito Nakama, Kenta Sakaguchi, Rikuo Tsutsumi, Takeru Tanigawa, Mitsuki Yukimune, Kazuki Nagashima, Takeshi Yanagida, Shino Sato, Satoshi Hiura, Akihiro Murayama, Fumitaro Ishikawa, Nanoscale Advances, 5, 1651, 2023.
希釈窒化物および希釈ビスマス半導体ナノワイヤ
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。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，同結晶の特異な構造変形などの構造・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。
さらに最近，高品質なGaInNAs/GaAs多重量子井戸構造作製に成功し光通信帯域で発光が得られること，また，多数の光子がより高エネルギーの電子を励起するフォトンアップコンバージョンや，準安定六方晶部位で非線形光学効果が増強されることを見出しました。
参考：
High-Performance Multiwavelength GaNAs Single Nanowire Lasers, Mattias Jansson, Valentyna V. Nosenko, Yuto Torigoe, Yuto Torigoe, Kaito Nakama, Mitsuki Yukimune, Akio Higo, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova, ACS Nano 18, 1477, 2024.
GaAs/GaInNAs core-multishell nanowires with a triple quantum-well structure emitting in the telecommunication range, Kaito Nakama, Mitsuki Yukimune, Naohiko Kawasaki, Akio Higo, Satoshi Hiura, Akihiro Murayama, Mattias Jansson, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova, Fumitaro Ishikawa, Applied Physics Letters 123, 081104, 2023.
Designing Semiconductor Nanowires for Efficient Photon Upconversion via Heterostructure Engineering, Mattias Jansson, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova, ACS Nano 16, 12666, 2022.
Anomalously Strong Second‐Harmonic Generation in GaAs Nanowires via Crystal‐Structure Engineering, Bin Zhang, Jan E. Stehr, Ping‐Ping Chen, Xingjun Wang, Fumitaro Ishikawa, Weimin M. Chen, Irina A. Buyanova, Advanced Functional Materials, 31, 2104671, 2021.
Self-assembled nanodisks in coaxial GaAs/GaAsBi/GaAs core–multishell nanowires, Bin Zhang, Mattias Jansson, Yumiko Shimizu, Weimin M Chen, Fumitaro Ishikawa, Irina A Buyanova, Nanoscale 12, 20849, 20858.
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.
半導体/酸化物複合ナノワイヤ
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：
Rolled-up membranes from GaAs/AlOx core-shell nanowire ensembles through natural oxidation, H. Hashimoto, K. Minehisa, K. Nakama, K. Watanabe, K. Nagashima, T. Yanagida, F. Ishikawa, Advanced Optical Materials, 13, 2401933, 2025.
AlGaOx nanowires obtained by wet oxidation as a visible white phosphor under UV-LED illumination, Takeru Tanigawa, Rikuo Tsutsumi, Fumitaro Ishikawa, Japanese Journal of Applied Physics, 61, SD1005, 2022.
(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. Ishikawa, Nano Letters, 14, 7024, 2014.
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