2015 Fiscal Year Annual Research Report
窒化物ナノ局在系の物性制御によるテーラーメイド光源の実現
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15H05732
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
川上 養一 京都大学, 工学研究科, 教授 (30214604)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船戸 充 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)
石井 良太 京都大学, 工学研究科, 助教 (60737047)
岡本 晃一 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50467453)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 多波長発光制御 / ナノ局在物性 / テーラーメイド光源 / 近接場分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，(Al, Ga, In)N系半導体における（１）３次元マルチファセット構造による発光波長合成を行い，（２）分極制御，（３）プラズモニクス効果などによる高効率発光に着目し，（４）近接場光学顕微鏡による時空間分解分光などにより発光機構の理解と制御への指針を得ることを目的にしている。（１）については，{11-22}半極性GaN基板上への3次元構造を試作し，多波長フォトルミネッセンスの観測に成功している。また，ScAlMgO4基板上への発光ダイオード（LED）の試作など新規基板の探索も進展している。（２）については，AlN基板上への半極性AlGaN量子井戸のMOVPE成長と光物性の研究を推進し，非輻射再結合中心と転位・欠陥との相関や誘導放出に向けた構造設計を行った。また，（３）については，金属ナノ粒子効果による可視波長域での表面プラズモン増強や新たな金属種を用いた深紫外域での表面プラズモン共鳴などについて興味深い結果が得られた。さらに，（４）については，深紫外域で分光可能な近接場光学顕微鏡装置（DUV-SNOM）を構築し，AlリッチAlGaNナノ構造の光物性評価に万全な体制を整えた。また，近接場熱レンズ分光法による非輻射再結合マッピングやチップエンハンス近接場光学顕微鏡による局在電場の直接観測などにも着手した。
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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
{11-22}半極性GaN基板上への3次元構造の試作に関しては，{11-22}及び{1-101}からなる半極性面および{1-100}無極性面からなるマイクロファセットが形成できる条件を明らかにし，青紫～青緑域での多波長発光を観測した。この成果は，APWS2015にて基調講演，ISPlasma2016にて招待講演を行うとともに，照明に関する国際会議（LS15）にて発表予定である。また，ScAlMgO4基板上への青色および緑色LEDの試作に成功しており，APEX誌に報告した。この成果は，同学術誌のHighlights in 2015に選ばれるなど注目されている。深紫外発光AlGaN量子井戸構造の成長と光物性解明については，バルクAlN基板上へのホモエピタキシャル成長を確立し，発光及び非発光の時間・空間ダイナミクスについて評価・解析を進めている。得られた成果は，ICNS2015やSPIE Photonics West 2016にて招待講演を行った。プラズモン効果については，Ag薄膜の熱処理によってナノアイランド構造のサイズ制御を行い，青～緑域発光の表面プラズモン増強効果がサイズに応じてチューニングできることを明らかにした。さらに，深紫外域増強のための金属材料として，タンタル微粒子が有望であることを初めて見出して，詳細な物性解明について研究をスタートした。これらの成果は，学術誌に投稿予定である。深紫外域で分光可能な近接場光学顕微鏡（DUV-SNOM）は，装置の導入が2015年度中に完了し，深紫外光の透過特性やファイバープローブ操作などの基本特性は検収できている。近接場熱レンズ分光法による緑色発光InGaN量子井戸の非輻射再結合マッピングの成果は，2016年春季応用物理学会にて成果を速報したところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
３次元マルチファセット構造による発光波長合成に関しては，昨年度に{11-22}半極性GaN基板上への3次元構造の試作と多波長フォトルミネッセンス（PL）の観測に成功しており，今年度はこれをさらに進展させて行く。具体的には，半極性GaN基板上へのドーピングやプロセス加工技術を発展させて，多色発光LEDの試作を目指す。また，波長チューニングレンジを広げて可視全域まで近づけるための，3次元構造や成長条件の最適化を行う。深紫外域発光AlGaNナノ構造の物性評価については，昨年度に導入したDUV-SNOMを用いた発光マッピングに着手する。昨年度は，中央遮蔽の大きいカセグレイン型の反射対物レンズを用いてファイバープローブとの深紫外光カップリングを行っていたが，光パワーのロスが大きく，深紫外PL検出のシグナルレベルを低下させる原因となっていた。今年度は，深紫外域で色収差補正を行った対物レンズを導入するなど，DUV-SNOMと分光器の間を繋ぐ深紫外光学系を充実させて装置としての完成度を高めて行く。さらに，金属ナノ粒子効果による表面プラズモン増強，深紫外域での表面プラズモン共鳴さらにはチップエンハンス近接場光学顕微鏡など，昨年度明らかになったプラズモン効果に関する知見をさらに深化させて，多波長発光制御実現のための指針を確立する。
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