2018 Fiscal Year Annual Research Report
特異構造結晶の特性を生かした新機能発光デバイスの研究
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06420
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
平山 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (70270593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鎌田 憲彦 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50211173)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 特異構造結晶 / 深紫外LED / THz-QCL / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
深紫外発光ダイオード（DUV-LED）・半導体レーザ（LD）、ならびにテラヘルツ量子カスケードレーザ（THz-QCL)などの新規波長発光デバイスは、殺菌・浄水、医療、生化学産業、高密度DVD、各種透視・非破壊検用の光源、環境計測など、幅広い分野への応用が考えられ、これらの開発はわが国の重要課題である。しかし、これら未開拓波長デバイスの実現のためにはいくつものブレークスルー技術が必要である。本研究では、特異構造結晶としてAlN結晶ピラー、短周期超格子ドープ層、原子層平坦多重超格子を開発し、これらの特異な物性を用いて、高濃度ｐ型紫外コンタクト層、低貫通転移バッファー、LED高光取り出し構造、AlGaN系量子カスケード構造のブレークスルー技術を実現する。これらの技術を用いて、DUV-LED、LD、THz-QCLの革新的新機能デバイスを実現することを目的とする。
H28年度は、縦型・深紫外LEDの実現を目的とし、前年度までに引き続きSi基板上DUV-LEDの開発を行った。加工シリコン基板上にクラックの無い、転位密度の低いAlN結晶を製膜する条件を探索し、貫通転位密度109cm-2程度でクラックが発生せずまた表面の異常核形成も抑制で切る成長条件を実現した。また、GaN/AlGaN系THz-QCLを実現するために、非平衡グリーン関数を用いた光利得解析、導波路解析を進めた。GaN系QCLの構造を適切に設計すれば8THz付近で室温において発振に必要な光利得が得られる事が明らかになった。サファイアはTHz吸収があり導波路として使用が難しいことが明らかになったため、Si基板リフトオフプロセスを用いた両面金属導波路型GaN系THz-QCLの作製プロセスを開拓した。
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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
H28年度は、縦型・深紫外LEDの実現を目的とし、前年度までに引き続きSi基板上DUV-LEDの開発を行った。加工シリコン基板上にクラックの無い、転位密度の低いAlN結晶を製膜する条件を探索し、貫通転位密度109cm-2程度でクラックが発生せずまた表面の異常核形成も抑制で切る成長条件を実現した。今後、UVC-LEDをこの上に作製しSiをリフトオフすることにより縦型LEDを実現し、光取出し効率の向上を確認する予定である。また、GaN/AlGaN系THz-QCLを実現するために、非平衡グリーン関数を用いた光利得解析、導波路解析を進めた。GaN系QCLの構造を適切に設計すれば8THz付近で室温において発振に必要な光利得が得られる事が明らかになった。設計に基づきMBE成長を用いて200～300周期からなるGaN/AlGaN量子カスケード構造を作製した。また、サファイアはTHz吸収があり導波路として使用が難しいことが明らかになったため、Si基板リフトオフプロセスを用いた両面金属導波路型GaN系THz-QCLの作製プロセスを開拓した。2回の基板貼り付けプロセスとSi基板剥離プロセスを用いて両面金属GaN系QCL構造を作製し、リーズナブルな電流-電圧特性が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、結晶の特異性を利用した結晶制御と発現される物性を用いて、高濃度ｐ型AlGaN、極低転位AlNバッファー、紫外LED高光取り出し構造、高品質AlGaN多重超格子を実現し、これまでにない特性を有する特異構造結晶を実現する。それらの効果を用いて、高効率深紫外LED、深紫外LD、ならびに、GaN/AlGaNを用いた未踏波長QCLを実現し、革新的エレクトロニクスデバイスを創成することを目的としている。
2019年度では、前年度までに引き続き、深紫外LED・LDの実現において重要性の高い、高濃度ｐ型AlGaNの創成に注力する。昨年度までに、短周期超格子（SPSL）の導入によるｐ型AlGaNの検討を行ったが、今年度は、縮退ドーピング効果、分極ドーピング効果を調査・検討することで高いホール濃度を実現し、目的としている深紫外LDの実現を試みる。また、昨年度までに進めてきた、加工Si基板上のAlN成長と縦型深紫外LEDの作製を進める。また、GaN系QCLで重要であるGaN/AlGaN超格子からのバンド内遷移光利得の改善の検討とMEB成長による高品質作製、両面金属導波路の作製を検討する。
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[Presentation] LEE enhancement in AlGaN UVC LED using photonic crystal reflector fabricated on p-GaN contact layer2019
Author(s)
H. Hirayama, Y. Kashima, Y. Watanabe, T. Shibata, N. Maeda, M. Jo, E. Matsuura, T. Iwai, M. Kokubo, T. Tashiro, H. Furuta, R. Kamimura, Y. Osada, H. Takagi, Y. Kurashima, Y. Iwaisako and T. Nagano
Organizer
SPIE Photonic West
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Increasing light-extraction efficiency of AlGaN UVLED with remained low voltage by using PhC reflector on p-GaN contact layer2018
Author(s)
H, Hirayama, Y. Kashima, T. Shibata, N. Maeda, M. Jo, E. Matsuura, T. Iwai, M. Kokubo, T. Tashiro, H. Furuta, R. Kamimura, Y. Osada, H. Takagi, Y. Kuwashima, Y. Iwaisako, T. Nagano
Organizer
The International Workshop on Nitride Semiconductors 2018 (IWN2018)
Int'l Joint Research
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