窒化物半導体を用いた励起子効果発光デバイスの実現可能性の検討
| Project/Area Number |
20K04585
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | Tokuyama College of Technology |
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Principal Investigator |
室谷 英彰 徳山工業高等専門学校, 情報電子工学科, 教授 (20612906)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | AlGaN / 励起子 / レーザー / 深紫外 / 誘導放出 / 内部量子効率 / レート方程式 / 窒化物半導体 / 励起子効果 / 励起子多体効果 |
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| Outline of Research at the Start |
半導体中において，電子と正孔はクーロン相互作用によって互いに束縛された励起子状態を形成する。また，励起子の密度が高くなると励起子分子の形成や励起子-励起子散乱といった複数の励起子が関与した励起子多体効果が顕著となる。励起子の発光遷移過程や励起子多体効果に基づく発光遷移過程は，高い遷移確率を有していることや、光学利得が期待できるため、これらの過程を利用することでデバイス性能の向上が見込まれる。本研究の目的は，窒化物半導体において励起子効果に基づいた発光過程を動作原理とした発光デバイスの実現に向けたデバイス構造の設計指針を示すことである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，半導体中の電子と正孔がクーロン相互作用によって互に束縛された状態である励起子の光学遷移過程に注目し，強い励起子効果が期待できる窒化物半導体において励起子の発光再結合過程を動作原理とした発光デバイスの実現に向けた研究を進めている。励起子効果を利用した発光デバイスの設計指針を示すことを具体的な目的としている。現在までに得られた研究実績は以下の通りである。
UV-C領域で発光するAlGaN系量子井戸構造において，550 Kという高温領域においても光励起誘導放出が観測された。さらに，450～500 Kの間で誘導放出機構が変化することを確認した。500 K以上では，誘導放出は電子-正孔プラズマによるものであるのに対し，450 K以下では励起子が関与した機構であることが示唆された。また，低温領域において誘導放出特性の励起波長依存性を評価し，励起子が誘導放出に関与していることを明らかにした。加えて，室温において光励起レーザー発振測定を行い，ファブリペロー共振器の縦共振器モードを反映した微細構造を伴う発振スペクトルを観測した。このことは，室温において励起子が関与した誘導放出機構による光励起レーザー発振が実現できたことを示している。
高品質なAlNテンプレート上に作製されたAlGaN系量子井戸構造において内部量子効率90%という非常に高い値が得られた。効率曲線の温度依存性から，400 Kにおいても強励起下では非輻射再結合中心が完全に充填されることを明らかにした。また，これまでに提案した励起子レート方程式モデルによって効率曲線を解析した結果，400 K付近において励起子の輻射再結合過程が非輻射再結合過程よりも優勢であることを確認できた。このことは400 Kにおいても励起子発光が高い安定性を有することを示している。
以上のことから、励起子効果を利用した発光デバイスの実現の可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究課題は概ね当初の計画に従って実施することができたが，これまでの研究期間全体を通して，COVID-19の影響によって研究成果の公表が計画に比べて不足していると考えている。そのため，進捗はやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は前年度までに得られた成果を論文誌への投稿や国内学会、国際会議等での発表によって公表する予定である。
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Report
(3 results)
Research Products
(36 results)
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[Presentation] AlGaN量子井戸構造における光励起誘導放出の励起波長依存性2022
Author(s)
姫野邦夫, 中生拓希, 大河原颯, 室谷英彰, 倉井聡, 岡田成仁, M. Ajmal Khan, 前田哲利, 定昌史, 平山秀樹, 山田陽一
Organizer
第83回応用物理学会秋季学術講演会
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大河原颯, 姫野邦夫, 中生拓希, 室谷英彰, 倉井聡, 岡田成仁, M. Ajmal Khan, 前田哲利, 定昌史, 平山秀樹, 山田陽一
Organizer
2022年度応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
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