2016 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．このことによって，半導体ナノ構造中から任意の波長の光を内部量子効率100%で発光させるといった物理限界に近づき，究極のテーラーメイド照明光源に繋がるものと確信している。
（１）については，{11-22}半極性GaN基板上に{1-101}及び{11-22}からなる半極性面および{1-100}無極性面からなる3次元構造を試作し，その上に作製したInGaN量子井戸（QW）から多波長発光（各ファセットからそれぞれ青緑色，青色および青紫色発光）を観測している．今年度は，この試料の構造解析を行い，多波長化の機構に関する検討を行った．さらに，3次元AlNストライプ構造上にAlGaN QW を作製することに成功し，深紫外多波長発光（250nm帯と270nm帯）を実現した．
（2）については，ScAlMgO4基板上にピエゾ分極を低減したInリッチInGaN QWの作製に成功しており，高効率赤色発光を観察した．
また，（３）については，表面プラズモンモードの結合を利用することにより，従来よりも広い波長域でのフレキシブルな共鳴波長のチューニングに成功した．
さらに，（４）については，深紫外域で動作する連続発振分光可能な近接場光学顕微鏡装置（DUV-SNOM）の運用を開始し，AlリッチAlGaNナノ構造の光物性評価に着手した．
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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
今年度は，InGaN系およびAlGaN系3次元構造の構造・組成分析を走査型透過電子顕微鏡（STEM）とエネルギー分散型X線分析（EDX）によって精力的に行った．具体的には，{11-22}半極性GaN基板上のInGaN/GaN QWの各ファセット上のInGaN膜厚とIｎ混晶組成の測定を行い，局所発光波長と構造の関係を解析した．この成果は，多波長化の機構解明と制御に繋がるものであり， ISPlasma2016，照明学会・固体光源分科会，電子情報通信学会にて招待講演を行った．
また，3次元AlNストライプ構造上に作製したAlGaN/AlN QWからの深紫外多波長発光に関しては，溝端部にバンチングしたステップ構造を形成させることで，局所的なAl組成の低下と井戸幅の増加が生じていることを発見した．その結果，局所的な発光の長波長化によって，3次元AlGaN QWからの深紫外多波長発光を実現した．これらの成果は，APEX誌に報告した．
InリッチInGaNの物性制御については，ScAlMgO4基板上へ格子整合In0.17Ga0.83N単層膜を作製し，その上に赤色発光In0.17Ga0.83N/ InxGa1-xN/ In0.17Ga0.83N (x > 0.17)系QW構造を試作することに成功した．この構造は従来の，InGaN/GaN系と比較してピエゾ分極が小さいため高効率な発光が期待できる．最新の成果は，ICNS-12にて招待講演を予定している．
プラズモン効果については，Alに加えてIn, Ga, Taが深紫外波長域でのプラズモン共鳴に利用可能であることがわかった．また金属ナノ構造／誘電体薄膜／金属基板を用いたモード結合によって，非常に強く急峻な共鳴スペクトルの制御にも成功している．これらの成果は，学術誌に投稿予定である．
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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，各ファセット上のInGaN膜厚とIｎ混晶組成を制御するための3次元構造や成長条件の最適化を行い，白色の合成を目指す．
AlGaN QWの三次元構造からの多波長発光に関しては，ドーピングやプロセス加工技術を発展させて，深紫外域での多波長発光ダイオード（LED）の試作を目指す．深紫外多波長発光は，樹脂硬化やキュアリングなどの応用上で求められている光源であり，インパクトが期待できる．
プラズモン効果については，昨年度見出した広い波長域でフレキシブルに調整でき強く急峻な表面プラズモン共鳴が得られる金属ナノ構造を，実際に窒化物半導体上で作製し，多波長発光制御を試みるとともに，計算で得られた従来の10倍以上のPurcell効果を時間分解発光測定で実証する．
また，チップエンハンスSNOMに過渡レンズ法を組み合わせた発光・非発光同時計測法を構築し，窒化物半導体ナノ構造と発光特性の関係の詳細な解明に取り組む．さらに，DUV-SNOMについては，極低振動タイプのクライオスタットを導入して，温度可変フォトルミネッセンスマッピング装置を構築する．
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