2018 Fiscal Year Annual Research Report
Research on ultrafine nitride semiconductor nanostructure for optical device platform fabricated by low-damege etching technique
| Project/Area Number |
17H02747
|
|---|
| Research Institution | Sophia University |
|---|
Principal Investigator |
菊池 昭彦 上智大学, 理工学部, 教授 (90266073)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | ナノ加工 / 量子ドット / 窒化物半導体 / 光デバイス / ナノ構造 / 酸化物半導体 / 有機無機複合デバイス / 有機単結晶 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、申請者が提案する低損傷で極微細加工に適した新しい窒化物半導体ナノ加工技術であるHEATE法による極限ナノ構造作製技術の確立と光デバイス基盤技術への展開を目的としている。2018年度の主たる成果を以下に示す。
1. 水素にアンモニアガスを数~10%添加した雰囲気でのHEATEにより、SiO2マスク下サイドエッチングが抑制され、GaNエッチング側面垂直性が向上することを見出した。この効果により高い制御性で極微細かつ高密度なナノピラー構造の作製が可能となった。また、アンモニア添加効果を利用し、幅20nm、深さ1500nmの高アスペクトトレンチ構造やホール型フォトニック結晶構造等の形成を実証した。
2. オゾン水による表面酸化処理をHEATE法で作製した直径56～500nmのInGaN/GaNナノ構造に適用し、直径200nm以下で室温発光強度と発光寿命時間の著しい増加が得られることを検証した。また、微細化に伴い室温発光寿命が長くなる興味深い現象を確認した。
4. HEATE法で作製した未処理の直径39~2020nmのInGaN量子ディスクアレイの発光特性を系統的に評価し、直径が745から151nmに減少するに伴い内部量子効率が約2倍に増加すること、直径111nm以下では表面非発光再結合により急激に減少することを検証した。また、ナノ構造では励起光強度の低下に伴う発光量子効率の減少割合が量子薄膜に比べて大きく抑制されることを見出した。
5. HEATE法を(010)面酸化ガリウム単結晶に適用し、垂直なエッチング側面を有するナノウォール構造をGaドロップレットの発生無しで容易に形成可能であることを見出した。また、窒化物ナノ構造と有機半導体を融合した新規ナノ構造光デバイスに向け、静電塗布法と低蒸気圧薄膜液体を組合わせた板状有機単結晶への分子ドーピング技術を開発した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2018年度は、交付申請書に記した①～④の計画が下記に示す通り順調に進展し、⑤が予定外の成果を含めて顕著に進捗したので「（１）当初の計画以上に進展している」と評価した。
①InGaN極限ナノ構造作製技術と学術的理解：アンモニア添加HEATEによるGaNのエッチング条件依存性を調査し、幅40nm周期80nmの高垂直性ナノピラーアレイや幅20nm深さ1500nmの高アスペクト極微細トレンチなど、極微細ナノ構造作製技術が進展した。
②InGaN/GaNナノ構造の表面非発光抑制：飽和オゾン水処理によるInGaN量子ディスク直径200nm以下における顕著な表面非発光再結合抑制効果と酸化膜厚さが約0.5nmであることを検証した。また、直径100nm以下でも微細化に伴う発光寿命時間の増加現象を確認した。
③真のInGaN量子ドット（高さ3nm、直径3nm）への挑戦：HEATE法におけるエッチング条件やマスク形成条件を精査し、サイドエッチング制御により平均直径12nmの極微細InGaN単一量子ディスクアレイを作製し、直径分布の標準偏差4.0nmという高精度加工を実証した。
④InGaN/GaN極限ナノ構造の物性評価：HEATE法で作製した高品質InGaN量子ディスクの発光特性の直径依存性を系統的に評価し、微細化に伴うキャリア局在効果の抑制現象や直径12nm以下のIn組成揺らぎの存在を検証した。また、微細化に伴う発光内部量子効率の増加（薄膜比2倍以上）、室温発光寿命時間の増加、低励起光強度での内部量子効率低下抑制などの興味深い現象を確認した。
⑤InGaNナノ構造LEDと次世代光デバイスに向けた展開：HEATE法を酸化ガリウム単結晶に適用し、垂直なナノウォール構造を制御性良く形成可能であることを見出した。また、GaNナノ構造との複合化を目指した有機単結晶への分子ドーピング技術の開発と特性評価を行った。
|
| Strategy for Future Research Activity |
①InGaN極限ナノ構造作製技術と学術的理解：アンモニア添加HEATE時にマスク間隔が広い領域に生じる細線状残留構造の除去法を検討する。また、昨年度は研究室移転で実施が遅れたHClガス添加によるAlGaN層のエッチング可能性を検証する。熱力学解析手法を用いて、HEATE法によるGaNおよびAlGaNのエッチング特性の考察を行う。
②InGaN/GaNナノ構造の表面非発光抑制：室温大気圧下の飽和オゾン水パシベーションの有効性を検証したが、直径100nm以下の表面積/体積比が増大する領域では表面非発光再結合が顕在化している可能性が高いので、より厚い酸化膜形成法として、高温高圧水蒸気酸化を検討する。SiO2やAl2O3による追加パシベーションの効果も調査する。
③真のInGaN量子ドット（高さ3nm、直径3nm）への挑戦：アンモニア添加HEATE法で高アスペクト高垂直InGaN/GaNナノピラー形成後に、オゾン水と処理と酸化膜エッチングによる表面酸化デジタルエッチング法およびTMAH溶液によるウェットエッチングを用いて、直径30nm以下の精密サイズ制御による極微細化を行う。
④InGaN/GaN極限ナノ構造の物性評価：③の極微細化技術と②の表面パシベーション技術を用いて高品質極微細InGaN量子構造を作製し、光学特性のサイズ依存性を系統的に評価する。特に、微細化に伴う室温発光寿命の増加現象や発光効率の励起光強度依存性に注目する。
⑤InGaNナノ構造LEDと次世代光デバイスに向けた展開：ナノデバイス作製に向け、絶縁体埋込、頭出し、低抵抗電極形成、素子分離などのプロセス条件を順次確立する。また、新たな進展が得られた酸化ガリウムや分子ドープ有機単結晶のデバイス応用に向けた素子構造設計やプロセス技術の検討を進める。
|
