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InGaN系半導体光材料のナノポテンシャル制御とデバイス応用

Research Project

Project/Area Number 22K14613
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 30010:Crystal engineering-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

松田 祥伸  京都大学, 工学研究科, 特定助教 (00902066)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords窒化物半導体 / 非極性面 / 半極性面 / マイクロ構造 / 発光ダイオード
Outline of Research at the Start

InGaN系発光デバイスの発展は目覚ましく,高効率な青色発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)が実用化されている.一方で,可視光全域への応用展開においては,InGaN発光層のIn組成が高くなる長波長領域での発光効率低下が未解決課題である.これに対して,InGaN発光層の歪誘起電界を抑制する観点から.非極性面が注目されている.本研究の目的は,窒化物半導体InGaNのナノ特異構造を非極性面上に作製し,意図的なポテンシャル揺らぎを形成することで,高効率InGaN LEDの実現することである.ナノ特異構造は,特殊加工された基板上に窒化物半導体を結晶成長させることで形成する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究は,窒化物半導体InGaNをベースとした単色発光デバイスの高効率化を目的として,InGaN系発光デバイスを,オフ角をつけた特殊な非極性面基板に作製し,その結晶品質の向上を狙うものである.本年度は,局所的にオフ角を制御する手法として,サーマルリフロー法を用いたマイクロレンズ状構造の作製に取り組んだ.具体的には,(-1-12-2)面GaN基板上に,フィトリソグラフィによって円形のレジストを形成し,熱処理によって凸レンズ状に変形させた.そして,ドライエッチングを用いてレジスト形状を基板に転写することで, GaNマイクロレンズ構造を作製した.その結果,結晶面の非対称性にもかかわらず,同心円状の高さ分布を有するレンズ状構造を得られることを見出した.さらに,この構造上にInGaN量子井戸を有機金属気相成長法によって成膜した結果,結晶面の非対称性を反映した異方的な発光波長分布が観察された.構造解析の結果,波長分布の主因はIn組成分布によるものであることが明らかとなった.さらに,InGaN量子井戸の結晶成長温度を制御することで,波長域の変化幅を増大させられることを見出した.以上の成果は,英文論文誌2報に掲載されるに至った.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

サーマルリフロー法によって局所的にオフ角をつける新たなプロセスを確立することが出来た.対称性の低い半極性面に特有の異方的な発光波長分布が,In組成分布に起因することを明らかにした.本成果は,オフ角の傾斜方向によってIn組成が変化することを意味しており,ナノポテンシャル制御に向けて重要な知見である.さらに,InGaN量子井戸の結晶成長温度を制御することで,波長域の変化幅を増大させられることを見出した.

Strategy for Future Research Activity

3年目は,オフ角基板上での高品質なエピタキシャル膜の検討と合わせて,興味深い光物性を示すマイクロレンズ構造上InGaN量子井戸の研究にも積極的に取り組む.今後は,ナノポテンシャル制御に向けて,より詳細な発光特性分布を明らかにするべく,発光スペクトルマッピングにも着手する.また,結晶成長条件の最適化によって,高効率化への指針の獲得を目指す.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] A review of three-dimensional structure-controlled InGaN quantum wells for efficient visible polychromatic light emitters2023

    • Author(s)
      Funato Mitsuru、Matsuda Yoshinobu、Kawakami Yoichi
    • Journal Title

      Semiconductor Science and Technology

      Volume: 39 Issue: 1 Pages: 013002-013002

    • DOI

      10.1088/1361-6641/ad12de

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Anisotropic emission wavelength distribution of semipolar InGaN quantum wells on symmetric convex lens-shaped GaN microstructures2023

    • Author(s)
      Matsuda Yoshinobu、Sakaki Atsushi、Funato Mitsuru、Kawakami Yoichi
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 123 Issue: 24 Pages: 241105-241105

    • DOI

      10.1063/5.0175071

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Flexible topographical design of light-emitting diodes realizing electrically controllable multi-wavelength spectra2023

    • Author(s)
      Matsuda Yoshinobu、Umemoto Ryunosuke、Funato Mitsuru、Kawakami Yoichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 12665-12665

    • DOI

      10.1038/s41598-023-39791-2

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] InGaN-based LEDs on convex lens-shaped GaN arrays toward multiwavelength light emitters2023

    • Author(s)
      Y. Matsuda, M. Funato, and Y. Kawakami
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 16 Issue: 1 Pages: 015511-015511

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acb2af

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multiwavelength-emitting InGaN quantum wells on convex-lens-shaped GaN microstructures2022

    • Author(s)
      Y. Matsuda, S. Funato, M. Funato, and Y. Kawakami
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 15 Issue: 10 Pages: 105503-105503

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac934e

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 全可視光色をカバーする広帯域発光InGaN系マイクロレンズ構造2024

    • Author(s)
      松田 祥伸, 高濱 章年,船戸 充,川上 養一
    • Organizer
      第71回 応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 多面体構造上に作製した多波長発光InGaN LEDのデバイス動作特性2023

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      松田 祥伸,船戸 充,川上 養一
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      第84回 応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] 窒化物半導体を用いた発光シンセサイザーの開発 ―半導体3次元構造からの自在なスペクトル合成を目指して―2023

    • Author(s)
      松田 祥伸,船戸 充,川上 養一
    • Organizer
      第391回蛍光体同学会講演会
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    • Invited
  • [Presentation] Chip-scale multi-wavelength InGaN LEDs utilizing patterned micro-topography2023

    • Author(s)
      Yoshinobu Matsuda, Mitsuru Funato, Yoichi Kawakami
    • Organizer
      Lester Eastman Conference on High Performance Devices 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] InGaN LEDs on Tailored Three-Dimensional Structures toward micro-LED Displays2023

    • Author(s)
      Yoshinobu Matsuda, Mitsuru Funato, Yoichi Kawakami
    • Organizer
      International Display Workshop 2023
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flexible spectral control using chip-scale multi-wavelength InGaN LEDs2023

    • Author(s)
      Yoshinobu Matsuda, Mitsuru Funato, Yoichi Kawakami
    • Organizer
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
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  • [Presentation] 発光スペクトルの電気制御を目指したInGaN系多波長発光構造の設計と作製2023

    • Author(s)
      松田祥伸, 宮脇啓嘉, 船戸充, 川上養一
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] {11-22}面GaN基板上InGaN系マイクロレンズ構造における異方的な発光波長分布2023

    • Author(s)
      松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 半極性面上InGaN系マイクロレンズ構造の広帯域発光に向けた作製条件の検討2023

    • Author(s)
      福重翔吾, 松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 自在な発光波長集積を目指したInGaN系多面体構造における局所的オフ角制御2023

    • Author(s)
      梅本隆之介, 松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Multiwavelength emission from InGaN quantum wells on GaN microlens structures2022

    • Author(s)
      Y. Matsuda, S. Funato, M. Funato, and Y. Kawakami
    • Organizer
      The 20th Intern. Conf. on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] InGaN-based LEDs on GaN microlens arrays for multi-wavelength emission2022

    • Author(s)
      Y. Matsuda, S. Funato, M. Funato, and Y. Kawakami
    • Organizer
      Intern. Workshop on Nitride Semiconductors
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Anisotropic emission wavelength distribution of InGaN quantum wells on GaN microlens structures formed on semipolar (-1-12-2) plane2022

    • Author(s)
      Y. Matsuda, M. Funato, and Y. Kawakami
    • Organizer
      The 10th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] サーマルリフロー法を用いたInGaN系多波長発光構造の作製とLEDデバイス動作2022

    • Author(s)
      松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • Organizer
      電子情報通信学会研究報告
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 自在な構造制御による多波長発光を目指したGaNマイクロレンズ構造上InGaN LED2022

    • Author(s)
      松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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