2019 Fiscal Year Annual Research Report
深紫外プラズモニクスの基盤創成と高効率深紫外発光素子への応用
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18H01903
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
岡本 晃一 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50467453)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 静雄 京都大学, 工学研究科, 教授 (20135536)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズモニクス / 深紫外 / 酸化物半導体 / 発光素子 / 量子構造 / UVC |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1). 酸化物半導体量子構造の作製・評価 京都大学において、ミストCVD装置を用いて、強い深紫外発光特性をもつ酸化物半導体の極薄多重量子井戸の作製に成功した。極低温においては従来の結果をはるかに上回る発光強度が得られた。極低温において得らえた発光強度は、室温下では著しく低下するが、表面プラズモンナノ構造と共鳴させることによって、室温においても高効率発光が得られる可能性があることを示した。
(2).プレキシトンの制御 大阪府立大学において、深紫外波長域におけるプレキシトンの効果を最大限発揮するために、電磁場解析シミュレーション、金属ナノ構造の作製、光学特性評価
を行った。Nano Hemisphere on Mirror (NHoM)構造と名付けた金属ナノ微粒子／誘電体スペーサー／金属基板のサンドイッチ構造を用いて、非常に急峻で強いピークが出現すること、誘電体スペーサーの膜厚によってフレキシブルに制御可能であることについて、その詳細な発生原理・制御方法について明らかにすることができた。Alは薄膜蒸着と熱処理によってナノ微粒子構造を作製する上で、サイズを大きくすることが困難であることがわかった。それが電磁場計算の結果と実験結果が合わない主な原因であることを突き止めた。
(3).深紫外発光特性評価 LDLS白色光源を用いた深紫外発光評価装置の立ち上げ、窒化物半導体の深紫外発光スペクトルの測定に成功した。InAlN/AN系の量子井戸においては、AlとGaの薄膜を用いることにより、波長~260 nm付近の深紫外発光の増強を確認できた。この時発光増強に寄与するのは表面プラズモンの伝搬モードであり、同様の増強をナノ微粒子構造において達成できれば、ナノ構造によって光学特性を制御できると期待される。
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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
(1). 酸化物半導体量子構造の作製・評価 目的としていた、強い深紫外発光特性をもつ酸化物半導体の極薄多重量子井戸の作製に成功し、極低温においては従来の結果をはるかに上回る発光強度が得られたので、概ね計画通りに順調に進んでいると考えられる。しかし室温下で発光か著しく低下する問題はまだ改善されていない。 (2).プレキシトンの制御
電磁場解析シミュレーションにより、NHoM構造を始めとする各種ナノ構造の光学特性を解析し、非常に急峻で強いピークが出現する機構の解明とそのためのナノ構造最適化には成功しており、概ね計画通りに順調に進んでいる。実験においてもAlとGaを用いてHNoM構造の作製に成功し、計算で予測したとおりの急峻でチューナブルな共鳴スペクトルを得ることに成功した。しかしその構造を用いて、化物半導体、超ワイドギャップ酸化物半導体の発光増強が、通常の金属薄膜や金属微粒子を用いた時よりも遥かに著しい発光増強を得るところまではまだ至っておらず、深紫外発光材料と深紫外プラズモニクス構造の間で効果的な共鳴を達成するためのデバイス構造を工夫する必要がある。
(3).深紫外発光特性評価 LDLS白色光源を用いた深紫外発光評価装置の立ち上げ、窒化物半導体の深紫外発光スペクトルの測定には成功しており、概ね計画通りに順調に進んでいる。現時点では超ワイドギャップ酸化物半導体の深紫外発光の観測にはまだ成功していないが、今後クライオスタットによる極低温測定との組み合わせることによって観測可能になると考えている。また他のグループが所有する深紫外パルスレーザーシステムや、軌道放射光システムを共同研究によって用いることも検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1). 酸化物半導体量子構造の作製・評価 ミストCVD装置で作製した量子井戸構造の更なる高品質化を目指す。複数のキャリアガスの流量を並列制御することにより、より周期性の優れた多重量子井戸構造を作成する。また電子線励起の深紫外発光評価装置を用いて、作製した試料の深紫外発光特性を評価し、その結果をフィードバックさせ、さらなる高品質化を図る。
2).プレキシトンの制御 深紫外波長域におけるプレキシトンの効果を最大限発揮するために、電磁場解析シミュレーション、金属ナノ構造の作製、光学特性評価を引き続き行う。Alナノ微粒子構造に加えて、Gaナノ微粒子やそれを高温で酸化させることによってGa2O3ナノ微粒子を作製し、その上にAlを積層することによって作製したAlナノヴォイド構造の最適化、それを用いた深紫外波長域でのフレキシブルな共鳴・増強波長のチューニングを目指す。
3).深紫外発光特性評価 LDLS白色光源を用いた深紫外発光評価装置による深紫外発光スペクトル測定によって、高効率化の機構を詳細に解明し、それをフィードバックさせて量子井戸の構造、成長条件の最適化を図り、量子準位間の発光が可能な高品質多重量子井戸を実現する。また既存のチップエンハンス近接場光学顕微分光システムを深紫外対応に改良し、発光スペクトルのナノ空間分布光測定によって発光機構の空間ダイナミクスを解明し、材料作製、金属ナノ構造最適化にフィードバックさせる。
４).高効率深紫外発光の達成 AlGaN系半導体量子井戸による深紫外発光の、Alを用いた高効率化には成功しているが、Gaを用いた深紫外発光の高効率化や、超ワイドギャップ酸化物半導体を用いた発光波長200nm付近の高効率発光の達成、発光素子の開発にはまだ至っていない。引き続き上記のプロセスによって研究期間中の目標達成を目指す。
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