窒化物半導体の電子状態・光学特性の理論解析とデバイス構造提案

• Project Area: Optoelectronics Frontier by Nitride Semiconductor -Ultimate Utilization of Nitride Semiconductor Material Potential-
• Project/Area Number: 21016006
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kanazawa Institute of Technology
• Principal Investigator: 山口 敦史 金沢工業大学, ものづくり研究所, 教授 (60449428)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小島 一信 京都大学, 工学研究科, 助教 (30534250)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,600,000 (Direct Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2010: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2009: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000)
• Keywords: 窒化物半導体 / 偏光特性 / 価電子帯 / 深紫外LED / 緑色レーザ / 半導体レーザ / InGaN / AlGaN

Research Abstract

窒化物半導体は、AlN、GaN、InNおよびこれらの混晶を用いることにより、原理的には深紫外光から赤外光までの幅広い波長の光を発する素子を作製することが可能である。しかしながら、実際の素子開発においては、近紫外～緑青色以外の領域で実用レベルの特性をもつレーザーダイオード(LD)が実現されていない。この問題は結晶成長に起因する部分が大きいと考えられるが、デバイス構造設計によって飛躍的な進歩が得られる可能性も大いにある。我々は、深紫外(AlGaN系)、緑～黄色(In組成が比較的小さいInGaN系)、赤外(In組成が大きいInGaN系)の3つの領域の各々について、活性層の構造設計により電子状態を制御し、偏光特性や光学利得特性を素子に最も適した状態にすることを目的とし、理論研究を遂行している。AlGaN系については、c面上および無極性面上のLDに関して、活性層の電子状態のより深い理解により光学利得を最大化するための構造設計指針を明らかにした。また、InGaN系については、素子構造設計をする上で重要な材料パラメータが未だ正確に決定されていないという事情があるので、まずは材料パラメータに敏感である偏光特性の実験結果から材料パラメータの情報を引き出し、光学特性予測にまで展開する理論的アプローチを構築した。また、AO2班の上殿グループとの連携により、最も重要な材料パラメータである変形ポテンシャルに関して第一原理計算による理論計算を行い、広く用いられている擬立方晶近似の妥当性等に関して物理的な考察を行った。

Research Products

• [Journal Article] A simple theoretical approach to analyze polarization properties in semipolar and nonpolar InGaN quantum wells (2011)
  • Author(s): A.A.Yamaguchi, K.Kojima
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 98 Pages: 101905-101905
• [Journal Article] 窒化物半導体LEDの偏光特性 (2011)
  • Author(s): 山口敦史
  • Journal Title: 月刊ディスプレイ Volume: 17-5 Pages: 43-49
• [Journal Article] Gain Anisotropy Analysis in Green Semipolar InGaN Quantum Wells with Inhomogeneous Broadening (2010)
  • Author(s): K.Kojima, A.A.Yamaguchi, M.Funato, Y.Kawakami, S.Noda
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 49 Pages: 81001-81001
  • NAID: 40017253764
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 非極性InGaN量子井戸における偏光特性の既報告実験データの統一的解釈 (2010)
  • Author(s): 山口敦史、小島一信
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 110-271 Pages: 29-32
  • NAID: 110008152398
• [Journal Article] Theoretical Investigation of Polarization Properties in Al-rich AlGaN Quantum Wells with Various Substrate Orientations (2010)
  • Author(s): A.Atsushi Yamaguchi
  • Journal Title: Applied Physics Letters 96 Pages: 151911-151911
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] All deformation potentials in GaN determined by reflectance spectroscopy under uniaxial stress : Definite breakdown of the quasi-cubic approximation (2010)
  • Author(s): R.Ishii, A.Kaneta, M.Funato, Y.Kawakami, A.A.Yamaguchi
  • Journal Title: Physical Review B 81 Pages: 155202-155202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polarization Properties in Deep-Ultraviolet AlGaN Quantum Wells with Various Substrate Orientations (2010)
  • Author(s): A.Atsushi Yamaguchi
  • Journal Title: Physica Status Solidi(b) (未定(採択済))
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 非極性面窒化物半導体の光学特性に関する理論的検討 (2011)
  • Author(s): 小島一信, 山口敦史, 船戸充, 川上養一, 野田進
  • Organizer: 第3回窒化物半導体結晶成長講演会
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県春日市)(招待講演 予定)
  • Year and Date: 2011-06-17
• [Presentation] A new simple theoretical approach to analyze optical polarization properties in semipolar and nonpolar InGaN quantum wells (2011)
  • Author(s): A.A.Yamaguchi, K.Kojima
  • Organizer: 5th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS-2011)
  • Place of Presentation: 鳥羽国際ホテル(三重県鳥羽市)(招待講演 予定)
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] 非極性InGaN量子井戸における偏光特性の既報告実験データの統一的解釈 (2010)
  • Author(s): 山口敦史、小島一信
  • Organizer: 電子情報通信学会レーザ・量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪市)
  • Year and Date: 2010-11-11
• [Presentation] 非極性InGaN量子井戸における偏光特性の既報告実験データの統一的解釈 (2010)
  • Author(s): 山口敦史、小島一信
  • Organizer: 東北大学多元物質科学研究所窒化物ナノ・エレクトロニクス材料研究センター講演会「GaN系プラネットコンシャスデバイス・材料の現状」
  • Place of Presentation: 東北大学(仙台市)
  • Year and Date: 2010-11-04
• [Presentation] Impact of Nonpolar Plane for Deep Ultraviolet Laser Diodes Based on AlGaN/AlN Quantum Wells (2010)
  • Author(s): K.Kojima, A.A.Yamaguchi, M.Funato, Y.Kawakami, S.Noda
  • Organizer: The 22nd IEEE International Semiconductor Laser Conference (ISLC 2010)
  • Place of Presentation: ANAホテル(京都市)
  • Year and Date: 2010-09-26
• [Presentation] A Comprehensive Understanding of Previously-Reported Polarization Properties in Nonpolar and Semipolar InGaN Quantum Wells (2010)
  • Author(s): A.A.Yamaguchi, K.Kojima
  • Organizer: International Workshop on Nitride semiconductors (IWN2010)
  • Place of Presentation: タンパ(米国)
  • Year and Date: 2010-09-19
• [Presentation] Influence of inhomogeneous broadening for gain polarization switching in green semipolar InGaN quantum wells (2010)
  • Author(s): K.Kojima, A.A.Yamaguchi, M.Funato, Y.Kawakami, S.Noda
  • Organizer: International Workshop on Nitride semiconductors (IWN2010)
  • Place of Presentation: タンパ(米国)
  • Year and Date: 2010-09-19
• [Presentation] Intrinsic Origin of the Breakdown of Quasi-Cubic Approximation in Nitride Semiconductors (2010)
  • Author(s): Y.Ebihara, K.Shiraishi, A.A.Yamaguchi
  • Organizer: International Workshop on Nitride semiconductors (IWN2010)
  • Place of Presentation: タンパ(米国)
  • Year and Date: 2010-09-19
• [Presentation] 非極性InGaN量子井戸における偏光特性の既報告実験データの統一的解釈 (2010)
  • Author(s): 山口敦史、小島一信
  • Organizer: 応用物理学会(2010年秋季)
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-14
• [Presentation] 無極性AlGaN/AlN量子井戸の光学特性に関する理論検討 (2010)
  • Author(s): 小島一信, 山口敦史, 船戸充, 川上養一, 野田進
  • Organizer: 応用物理学会(2010年秋季)
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-14
• [Presentation] 擬立方晶近似の妥当性についての理論的考察 (2010)
  • Author(s): 海老原康裕、白石賢二、山口敦史
  • Organizer: 応用物理学会(2010年秋季)
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-14
• [Presentation] Theoretical Studies on Deformation Potentials of Strained Nitride Semiconductor Films (2010)
  • Author(s): Y.Ebihara, K.Shiraishi, A.A.Yamaguchi
  • Organizer: 4th AEARU Advanced Materials Science Workshop on Artificial and Self-Organized Nanostructure Sciences and Nano-Technologies for the Sustainable World
  • Place of Presentation: 筑波大学(つくば市)
  • Year and Date: 2010-08-29
• [Presentation] Breakdown of the quasicubic approximation in GaN and InN-A Theoretical Approach- (2010)
  • Author(s): Y.Ebihara, K.Shiraishi, A.A.Yamaguchi
  • Organizer: The 29th Electronic Material Symposium (EMS・29)
  • Place of Presentation: ラフォーレ修善寺(静岡県伊豆市)
  • Year and Date: 2010-07-14
• [Presentation] 非極性InGaN量子井戸における偏光特性(擬立方晶近似が成立しない場合) (2010)
  • Author(s): 山口敦史、小島一信
  • Organizer: 2010年春期 第57回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県)
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] 非極性面InGaN量子井戸における不均一広がりと偏光の関係 (2010)
  • Author(s): 小島一信、山口敦史、船戸充、川上養一、野田進
  • Organizer: 2010年春期 第57回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県)
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] 窒化物半導体のバンド構造の歪み依存性の理論的研究 (2010)
  • Author(s): 海老原康裕, 白石賢二, 山口敦史
  • Organizer: 2010年春期 第57回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県)
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] Theoretical Investigation on Polarization Control of Deep-Ultraviolet AlGaN Quantum-Well Emission (2009)
  • Author(s): 山口敦史
  • Organizer: 2009 MRS fall meeting
  • Place of Presentation: ボストン(米国)
  • Year and Date: 2009-12-03
• [Presentation] Polarization Properties in Deep-Ultraviolet AlGaN Quantum Wells with Various Substrate Orientations (2009)
  • Author(s): 山口敦史
  • Organizer: The 8th International Conference on Nitride Semiconductors(ICNS-8)
  • Place of Presentation: チェジュ(韓国)
  • Year and Date: 2009-10-20
• [Presentation] 深紫外AlN/AlGaN量子井戸の偏光特性の理論解析 (2009)
  • Author(s): 山口敦史
  • Organizer: 2009年秋期 第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2009-09-10
• [Presentation] Theoretical Investigation on Polarization Control of Deep-Ultraviolet AlGaN Quantum-Well Emission (2009)
  • Author(s): 山口敦史
  • Organizer: 2009 Asian Core Workshop on Wide Band Gap Semiconductors
  • Place of Presentation: 大観荘 松島(宮城県)
  • Year and Date: 2009-09-04
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体発光素子 (2009)
  • Inventor(s): 山口敦史
  • Industrial Property Rights Holder: 金沢工業大学
  • Industrial Property Number: 2009-201593
  • Filing Date: 2009-09-01