2018 Fiscal Year Annual Research Report
AlGaN系超高効率紫外発光素子の実現に向けたキャリア再結合過程の解明と制御
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16H02332
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
船戸 充 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川上 養一 京都大学, 工学研究科, 教授 (30214604)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気・電子材料 / 結晶工学 / 紫外光源技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ワイドギャップ半導体AlGaNを用いた深紫外(波長：210~300 nm)領域での超高効率な発光を目指し，非輻射再結合過程の解明・抑制と輻射再結合過程の増強を実現することを目標としている．
AlGaN系LEDの作製には，AlGaN量子井戸を，よりAl組成の高いAlGaNで挟んだAlGaN/AlGaN量子井戸構造が，電気伝導の観点から現時点では必須である．これまで検討してきた，AlGaN/AlN量子井戸と新たに作製したAlGaN/AlGaN量子井戸を時間分解分光で比較したところ，後者において非輻射再結合確率が高まってしまうことがわかった．成長条件の検討により，その原因がGa空孔の形成であることが推定された．
AlNを (0001)面から少し傾斜した面に形成すると，表面に10 nm程度の高さのマクロステップが発生することが知られている．その上にAlGaN/AlN量子井戸を作製した場合，マクロステップ上の量子井戸では非輻射再結合が抑制されることを見出した．この効果は，マクロステップにおける過飽和度の上昇によるGaおよびAl空孔の減少で説明できることを示した．上記，AlGaN系にも展開可能であると考えられる．
(1-102)面基板上では，輻射再結合が高速化することが知られている．そこで，(1-102)面AlN基板上において，AlGaNの伝導型制御を確立し，AlGaN系LEDを試作した．265 nmの殺菌波長において電流注入発光を達成した．
一方，線欠陥の低減を目指し，AlNバルク結晶の新しい結晶成長法として，Alと窒素ガスによる成長を検討している．伝導型制御に向けて炭素添加を試み，AlN表面付近にp型伝導層を形成し，それを介して，電流注入が促進されることを実証した．
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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
AlGaN系量子井戸構造における輻射および非輻射再結合過程の解明と制御に関して，様々な知見が蓄積されつつある．例えば，今年度の検討により，デバイスで重要なAlGaN/AlGaN量子井戸では，Ga空孔の形成によって非輻射過程が高まることがわかってきた．またその抑制方法の一つとして，微傾斜基板の利用が考えられることも明らかになった．
加えて，実際にLEDの試作にも成功したことから，量子井戸における光励起下での再結合過程の検討だけではなく，デバイスにおける電流注入時の再結合過程や注入効率など総合的に議論できる環境が整いつつある．結晶成長から物性評価，デバイス作製までを一貫して行っている利点といえる．
また，実際にデバイスに利用する際には，電流を基板側から注入できることが望ましく，新しく提案しているAlN厚膜成長法において電気の伝導性を制御できる可能性が見出されており，将来的に有望な技術となりうると期待している．
本研究で得られた成果により，SPIE Nanoscience + Engineering (San Diego, USA, Aug, 2018)，SemiconNano2019 (Kobe, Japan, Sep, 2019)にて招待講演を行うなど，対外的にも広く認められている．
以上のように，目標とする紫外光デバイスの高効率発光に向けて，おおむね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
AlGaN量子井戸発光層において，Al組成が高まるほど点欠陥は原理的には形成されやすい．したがって点欠陥を抑制するにはAl組成を下げることが望ましく，極端な例として，GaN量子井戸がある．ただし，AlGaN量子井戸と同じ発光波長を得るには，分子層レベルでの薄膜化が必要である．このような極薄膜GaN量子井戸の作製とその光物性評価を実施し，点欠陥抑制の可能性を検証する．また，これを昨年度まで成果である微傾斜基板などと組み合わることを検討する．
試作した(1-102)面AlN基板上の紫外LEDの発光効率は，まだ改善の余地がある．そこで，素子構造，結晶成長条件の精査により効率を律速する要因を同定し，その抑制を試みる．
Alと窒素ガスから，線欠陥の低減が見込めるバルクAlN結晶を作製する方法を引き続き検討する．とうくに，AlNの表面極近傍に形成することができる伝導層について，その伝導メカニズムの解明とデバイス応用が可能であることの原理実証を行っていく．
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