2017 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 | 窒化物半導体 / 3次元構造 / ナノ局在 / 多波長発光 / テーラーメイド光源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(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，(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明確にする．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，究極の高品位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基板上に作製した，オール非極性面フリーの3次元GaNファセット上InGaN量子井戸の時間分解PL分光を行い，高速な輻射再結合寿命となっていることを実証した．さらに，3次元AlNストライプ構造上にAlGaN量子井戸を作製し，深紫外域での多波長発光ダイオードの試作と動作に初めて成功した．
(2)については，半極性r面AlN基板上にAlGaN系量子井戸を作製し，平坦なヘテロ界面を得るための結晶成長条件の探索を精力的に行った．その結果，内部電界低減による輻射再結合寿命化の高速化を実証するとともに新紫外発光ダイオードの試作を開始した．
また，(3)については，プラズモニクスのパーセル効果に基づいた高効率発光の詳細な機構の解明とともに空間分解評価とそれに基づく励起子ダイナミクス制御について研究が進展した．
さらに，(4)については，結像光学系として深紫外域で色収差補正された対物レンズを分光計器・大阪大学と共同開発した．さらに，日本分光の協力を得て，従来プローブ形状の制御が困難であった深紫外用純粋石英ファイバーの2段テーパー化に成功し，透過光の高スループット化を実現できた．
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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
キュアリング応用のために多波長深紫外LED開発の重要性を確信し，多波長化のために必要なAlGaN系3次元構造を得るための新しいテンプレート構造を考案し，ウシオ電機株式会社との共同出願・特許取得（特許番号：6278285，登録日：2018年1月26日，特願2016-511928）に至っている．今年度は，この構造を用いた多波長深紫外LEDの試作に成功しており[APEX 10,121001(2017)]，紫外発光素子の国際会議であるIWUMD2017（博多）にて招待講演を行った．
また，プラズモニクス関連では，詳細な機構の解明とそれに基づく励起子ダイアミクス制御等について実績を上げており，SPIE Photonic West（San Francisco）において 2017と2018に続けて招待講演を行った．他にもCCMR2017(Korea), IUMRS-ICAM 2017(Kyoto)等において招待講演を行っており, 国際的に高く評価されている．
さらに，テーラーメイド白色光源の開発を目指した，InGaN系3次元構造の研究成果については，LS16（英国，Sheffield）にて基調講演を予定（2018年6月）している．このLS16は，照明と科学と技術に関するシンポジウム（International Symposium on the Science and Technology of Lighting）であり，伝統（1975年，初回開催）のある会議である．ここでは，照明デバイスだけではなくて，サーカディアンや各種生体反応などのヒューマンファクター，照明設計・概念の確立，農業・バイオなどの新規応用の開拓などに関する萌芽的な内容を取り上げている．基調講演では，照明の多角的な側面からコメントを得て，目標とする多波長光源開発への指針としたい．
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| Strategy for Future Research Activity |
極性面フリーの3次元InGaN量子井戸構造を実現するために，従来の極性面ではなくて半極性面基板を用いるという発想は，本研究プロジェクトの作成段階で提案されたものである．当初は，各ファセットからの発光色は，紫色から青緑色の狭い範囲でしか制御できていなかったが，ごく最近は，ストライプテンプレートの方向やフィリングファクターの最適化とともに，結晶成長技術が進展し，黄色域まで長波長化が可能となってきた．今後は，さらなる長波長化とこれら波長を用いた純白色を含む多波長化に取り組む．
また，3次元AlGaN量子井戸構造の深紫外多波長発光の機構として，AlNテンプレート中のステップバンティング領域上でGaリッチのAlGaN量子細線構造が形成されており，通常の量子井戸より数倍の内部量子効率であることが明らかになった．さらに，Alナノ構造のプラズモニクス効果によって，深紫外域の波長制御や高効率化に寄与しうるという知見も得られている．これらは，当初は予期しなかった成果であるが，深紫外LEDの高効率化のために重要な指針となりうるため，時間・空間分解PL分光による精査を新たに予定している．深紫外域での励起光源やオプティクスの開発を精力的に継続しており，万全の体制で臨む．
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