2019 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．
Al組成の高いAlGaN系発光素子ではAl空孔が形成されやすく，いったんそれが形成されると非輻射再結合中心として働くことがわかってきている．もっとも極端な構造としてGaN/AlN量子井戸構造にして，発光層からAlを排除する対策が考えられるが，この場合，AlNとGaNの格子不整合による格子の緩和を抑制するために，GaNは分子層レベルの厚みであることが必要となる．結晶成長条件の検討により，膜厚が1分子層で自己停止する条件を見出し，再現性良く極薄膜GaN/AlN量子井戸構造を作製する技術を確立した．光学的には，極薄膜GaN量子井戸構造の採用により，弱励起条件下での内部量子効率が約一桁改善することが明らかになった．
(1-102)面基板上では分極誘起電界が抑制されるため，量子井戸発光層の膜厚を大きくすることができる．一方で，膜厚増加は格子不整転位の導入を促進する．どの程度の膜厚まで厚くすることができるのかを実験的に検討したところ，従来の(0001)面と異なり，理論的に予測される臨界膜厚が実験結果をよく再現することが確認できた．
一方，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．その波及効果として，有機金属気相成長法によって作製したp型AlGaN上に，Al，窒素，プロパンを供給すると，表面に1 nm程度のp型伝導層が形成され，それが正孔注入層として機能することを実証した．
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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，様々な知見とその対策が蓄積されつつある．例えば，今年度の検討により，発光層をGaNに近づけることにより非輻射過程を抑制できることや，(1-102)半極性面では，発光層の膜厚制御が高効率発光を実現するうえで重要であることがわかってきた．
加えて，微傾斜基板を用いると，ステップ端において，空孔の形成が抑制されることを示唆する実験的結果も得ており，それと極薄膜GaN量子井戸構造を組み合わせた構造の検討も可能な状況にある．また，LEDもいくつか試作しており，最終年度は，ここまで解明・開発してきたこれらの要素技術の集約を図る．
また，紫外LEDの問題の一つとして，正孔の注入があるが，それに対して新しく提案しているAlNの形成法がヒントを与えると期待している．AlとCによるアモルファス状の化合物がAl(Ga)N上に形成されて，正孔注入を促進する結果が得られており，さらに作製や後処理条件を検討することにより，注入の効率を高めることができるのではなかと考えている．
本研究で得られた成果により，SemiconNano2019 (Kobe, Japan, Sep, 2019)，日本学術振興会第161委員会(2020年5月29日)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 |
極薄膜GaN量子井戸については，作製方法を確立したので，これを一昨年度までの成果である微傾斜基板などと組み合わせることを検討する．また，微傾斜基板に関連して，傾斜の方向や角度と発光効率の関係が包括的に理解されているわけではないことから，これを精査する．また一般的なAlGaN量子井戸についても，同様の検討を実施する．
Alと窒素，プロパンから，表面p型伝導層ができることは実験的に明らかになっているが，そこでの伝導機構やバンドラインナップなど基礎的な知見が不足している．これらについて，引き続き検討を行う．
また，基礎物性評価からデバイス作製まで一貫して実施できることが研究体制の強みであると考えている．LEDを試作してその特性を評価することにより，上記の基礎的な知見が実際のデバイスに活かせるのかどうか，活かせない場合は何がボトルネックとなっているのかを解明することを通じて，本研究の成果の集約を図る．
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