2016 Fiscal Year Research-status Report
AlGaN/GaNナノ結晶光共振器を用いた有機半導体レーザの開発研究
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16K14260
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
菊池 昭彦 上智大学, 理工学部, 教授 (90266073)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光デバイス / 有機半導体レーザ / 有機半導体 / 窒化物半導体 / 光共振器 / GaN |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、電流注入型有機半導体レーザの実現に向けた基盤技術の確立を目的とし、その課題（高いレーザ発振しきい値、電極による光吸収、大電流密度による劣化など）をデバイス構造の工夫で解決する可能を探索する。電流注入型有機半導体レーザの実現は、可視全域における小型・高効率・低価格なレーザ光源の提供をもたらし、照明やディスプレイ、医療などの様々な産業分野や科学研究分野への応用展開が期待される。初年度に得られた成果と意義を以下に記す。
１．水素支援熱分解法を用いて六角形AlGaNマイクロディスク構造を作製し、光励起発振を確認した。有限差分時間領域法の解析から高Q値が得られるウィスパリング・ギャラリーモードの発振であることを示し、有機半導体レーザ用共振器としての可能性を検証した。
２．溶媒の厚さを制御するギャップ法を用いて有機半導体単結晶析出実験を行い、結晶サイズや結晶形状の制御が可能であることを見出した。低分子PBDでは、結晶成長速度の制御により直径500μｍ程度の六角形板状結晶や長さ数ｍｍの針状結晶を得た。PBDやCBPの単結晶から光励起ASEを観測し、有機単結晶レーザに適用可能な高品質結晶であることを確認した。
３．静電塗布法において、ノズル先端に複数の液糸が形成されるマルチモードを用いると噴霧される液滴の微細化と単分散性の向上が得られることを見出した。この手法（ナノミスト堆積法：NMD法）を用いて、導電性無機半導体（ITOコートガラス基板）上に表面粗さRMS値4ｎｍ程度の極めて平坦な有機半導体薄膜の成膜に成功した。
４．イオン液体やセバシン酸などの低蒸気圧液体薄膜を結晶析出場とし、ナノミスト堆積法で溶質を供給する新しい単結晶析出法を開発した。この手法を用いて、大型薄膜結晶を得ることが難しいとされてきたAlq3において、直径450μｍ程度の透明な六角形板状結晶の成長に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度の研究では、交付申請書に記した計画が下記１－４に示すとおりほぼ順調に進展した。さらに、予定外の成果として５に記した新しい有機単結晶成長技術を開発した。
１．水素雰囲気中でGaN層を選択的にエッチング除去する水素支援熱分解法を用い、六角形AlGaNマイクロディスク構造を作製し、窒素パルスレーザ照射による明瞭な光励起発振を得た。有限差分時間領域法による六角形AlGaNマイクロディスクの電磁界解析を行い、高Q値が得られるウィスパリング・ギャラリーモードであることを確認した。 ２．窒素ガスによる酸素と水分を抑制した環境を提供可能な有機半導体実験専用のグローブボックスを整備した。 ３．結晶成長場である溶媒の厚さを制御するギャップ法を提案し、ASEが報告されている有機半導体材料（PBDやCBP、TPDなど）の単結晶析出実験を行い、成長条件による結晶形状やサイズの制御が可能であることを確認した。PBDでは直径500μｍ程度の比較的大型の六角形板状結晶や長さ数ｍｍの針状結晶が得られた。PBD単結晶やCBP単結晶では光励起ASEの観測に成功した。 ４．静電塗布法において、ノズル先端に複数の液糸が形成されるマルチモードを用いると噴霧される液滴の微細化と単分散性の向上が得られることを見出した。この手法（ナノミスト堆積法：NMD法）を用いて、導電性無機半導体（ITOコートガラス基板）上に表面粗さRMS値4ｎｍ程度の極めて平坦な有機半導体薄膜の成膜に成功した。
５．イオン液体やセバシン酸などの低蒸気圧液体薄膜を結晶析出場とし、ナノミスト堆積法で溶質を供給する新しい単結晶析出法を開発した。この手法を用いて、大型薄膜結晶を得ることが難しいとされてきたAlq3において、直径450μｍ程度の透明な六角形板状結晶の成長に成功した。（予定外の成果）
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| Strategy for Future Research Activity |
１．初年度に設置した有機半導体専用グローブボックスに不活性ガス循環精製装置を追加し、極低酸素・低露点環境を整備する。 ２．AlGaNやSiO2による光共振器構造の最適化を進め、光励起発振に適した高Q値構造を探索する。 ３．光共振器上に有機半導体を成膜して光励起発光特性を評価し、デバイス化に適した構造を探索する。 ４．共振器構造上に成膜した有機半導体に対して効率的に電流を注入できるデバイス構造の設計と試作を行う。特に電極による光吸収や励起子失活を抑制できる構造の探索を重点課題とする。 ５．導電性無機半導体上に有機半導体を成膜し、電流注入発光特性の評価を行う。電流注入効率の改善に向けて、これまでに開発してきた自己配列双極子分子やMgZnO、CaCO3などの中間層材料を検討する。高電流パルス電源や発光特性評価装置を整備し、共振器部への選択的な電流注入の状態をEL発光像から評価し、構造の最適化を行う。 ６．有機半導体結晶成長実験を行い、レーザデバイスに適した形状の析出条件を把握する。また、得られた有機単結晶の光励起発光特性を評価する。 ７．YAGレーザや半導体レーザを励起光としてAlGaN共振器と有機半導体による光励起誘導放出を目指す。構造の最適化を行ってデバイス構造での光励起発振を目指す。 ８．デバイス構造を用いて、パルス駆動によるkA/cm2レベルの高電流密度条件化における電圧－電流特性、電流－発光特性、発光像などの基本特性を評価し、電流注入有機半導体レーザの実現に対する課題を明らかにし、対策を検討する。 ９．研究で見出された有望なレーザ構造を有する有機／無機複合型半導体レーザ構造を試作し、電流注入発光、電流注入ASE、最終的には電流注入レーザ発振を目指し、その実現に向けた技術課題の解決に挑戦する。
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| Causes of Carryover |
申請時に購入予定であった温度制御装置の購入を予算減額のため中止し、交付申請時に不活性ガス循環装置を備えたグローブボックスの整備に変更した。この不活性ガス循環装置を見積りより安価に入手できたので、次年度に酸素吸着材や有機半導体材料を購入することが研究の効率的な遂行に資すると判断し、次年度使用額として繰越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
低閾値誘導放出が報告されている有機半導体材料および実験用消耗品の購入に使用する予定である。
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