Visible, long wavelength LEDs based on In-rich InGaN on ScAlMgO4 substrates
| Project/Area Number |
21H04661
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
船戸 充 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 良太 京都大学, 工学研究科, 助教 (60737047)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
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| Keywords | 結晶成長 / InリッチInGaN / ScAlMgO4 / 可視長波長LED / 高効率化 |
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| Outline of Research at the Start |
近年の窒化物半導体の研究進展は著しいが，活性層のIn組成を増加させた緑色よりも長波長域でのLEDの効率低下現象は未解決である．本研究は，有機金属気相成長法によりScAlMgO4基板上に高品質InリッチInGaN系量子井戸構造を作製し，高効率な緑色・黄色・赤色LEDを実現することを目的としている．結晶学的な観点からは，格子定数が大きく異なるInNとGaNの混晶であるInGaNでは，非混和性すなわちスピノーダル相分離が生じやすいが，格子整合した下地基板上において，非平衡な低温でのコヒーレント成長が可能な条件ではその限りではないと考えており，「新しい結晶学」への展開を目指している．
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒化物半導体をベースとした可視全域での高効率LEDの開発は，次世代マイクロLEDディスプレイのために不可欠な課題と位置付けられている．本研究は，(0001)面でIn(0.17)Ga(0.83)Nと格子整合するScAlMgO4に着目し，この基板上に緑色から赤色域にて高効率発光するInGaN系LEDを開発することを目的としている．
これまでに，In(x)Ga(1-x)N/In(0.17)Ga(0.83)N量子井戸構造 (x>0.17)を発光層とするLEDを試作し，電流注入により波長700 nm (赤色) での発光を得ることに成功している．ただし現状としては，定格20 ｍA駆動時に発光出力が数十nWと低く，これを改善するために，クリアすべき課題が多数存在する状況である．その一つとして，本年度は，InGaNとScAlMgO4基板の界面に注目し，その制御によってInGaN層の結晶性や平坦性が改善できることを見出すとともにそのメカニズムを検討した．具体的には，窒化物半導体のAl原料のみを基板上に供給すると比較的結晶性の高いAlN界面層が形成され，それにより，その上のInGaN成長層の特性が改善するが，このAlN層の厚みを数nm以下にする結晶成長条件を見出した．これにより，ScAlMgO4とAlN界面での格子緩和が抑制され，もともとこの構造に期待されていたように，格子整合を維持したInGaN/AlN界面層/ScAlMgO4基板という格子整合系ヘテロ構造の実現に近づいたと考えている．
格子緩和を抑制したInGaN層ではX線回折の半値幅が小さくなり (つまり，結晶欠陥が減少し)，表面の平坦性も改善した．その上に作製したInGaN/InGaN量子井戸からは，発光強度が増大することを示唆する結果を得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ScAlMgO4基板上への窒化物半導体の有機金属気相成長に関して，基板と成長層界面の制御によるInGaN層の特性改善を試みた．これまでに，ScAlMgO4基板にAl原料(TMA)を供給し，雰囲気のN2ガスとの反応によってAlNを形成しておくと， (In)GaN成長層の結晶性が改善することはわかっていた．ただし，界面構造の検討にはScAlMgO4基板上のGaNを用いており，実際に使用するInGaN/ScAlMgO4界面の形成には，GaNでの検討結果をそのまま流用していた．本年度は，InGaN/ScAlMgO4界面構造を検討対象とした．
これまでのInGaN/ScAlMgO4界面では，基板のTMA処理によるAlN層(~10 nm)，その上のGaN高温成長層(~10 nm)の積層構造(つまり，InGaN/GaN/AlN/ScAlMgO4構造)を，標準的な界面構造としていた．このとき，AlN/ScAlMgO4界面とGaN/AlN界面で格子緩和が起こり，結果としてInGaNはScAlMgO4基板と格子整合していたが，格子緩和の影響によるInGaNへの欠陥導入が避けられない状況であった．そこで，本年度はGaN/AlN界面層の構造を検討した．その結果，両層を数nm以下の極薄膜化することにより，格子緩和を抑制してInGaNの結晶性を改善することに成功した．InGaNとScAlMgO4基板との間の格子整合性を活かす理想的な構造に近づいている．
本研究で得られた成果により，IMID 2023 (2023年8月)，SPIE Photonics West (2024年1月)，日本学術振興会R032委員会 (2023年7月) で招待講演を行い，対外的にも広く認知されている．
以上のように，目標とする可視長波長発光デバイスの高効率発光に向けて，おおむね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度はAl原料による基板の成長前処理に関して，GaN/AlN界面層を極薄膜化することにより，InGaN成長層の品質の改善を見出した．ただし，高品質な量子井戸発光層の作製に向けて，さらなる高品質化と表面の平坦性の改善が必要である．今年度も引き続き，その手法を検討する．特に材料系の特徴である格子整合の維持が重要であると考えており，界面層の膜厚や組成などに注目する．
InGaN層の結晶品質の改善を図りつつ，その上にIn(x)Ga(1-x)N/In(0.17)Ga(0.83)N量子井戸構造 (x>0.17)を作製し，その特性と下地層の特性との関連を明らかにしていく必要がある．表面の平坦性が改善すれば，分極効果の定量やそれに対する格子整合の効果などより基礎的な知見も得られると期待される．
さらにデバイス (LED) 化に向けては伝導型制御が必要である．すでに，基板のAl原料処理により，意図しない不純物添加が抑制されることを示唆する結果が得られており，電気的な特性評価を通じて不純物添加と基礎的な結晶成長条件の関係を明らかにする．
最終的にはこれらの検討を活かしたLED構造を試作し，そのデバイス特性を評価することを通じて，現時点でのデバイス特性を明らかにする．
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Report
(4 results)
Research Products
(23 results)
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[Journal Article] Structural and emission improvement of cyan-emitting InGaN quantum wells by introducing a large substrate misorientation angle2021
Author(s)
A. Kafar,A. Sakaki,R. Ishii,K. Shojiki,S. Stanczyk,K. Gibasiewicz,G. Staszczak,L. Marona,D. Schiavon,S. Grzanka,S. Krukowski,T. Suski,P. Perlin,M. Funato,Y. Kawakami
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Journal Title
Optical Materials Express
Volume: 12
Issue: 1
Pages: 119-135
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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