2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of semiconductors intra-center photonics
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18H05212
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤原 康文 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10181421)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
舘林 潤 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40558805)
市川 修平 大阪大学, 工学研究科, 助教 (50803673)
芦田 昌明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60240818)
佐藤 和則 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379097)
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| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
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| Keywords | 希土類元素 / 内殻遷移 / フォトン場制御 / 発光ダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【課題１】光励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題１－１＞Eu添加GaNマイクロ光共振器におけるEu発光機能の評価：(1)垂直共振器型において12.9倍のEu発光強度増大を観測した。1.2倍の輻射再結合確率増大が観測され、Purcell効果の発現を明らかにした。 (2)マイクロディスク型を取り上げ、FDTDシミュレーションならびに作製に取り組んだ。独自に開発した成長温度変調法により作製した、GaNと格子整合する厚膜AlInNを犠牲層として用いた。共振器モードの発現がディスク直径に依存し、直径1.5 μm近傍では基本モードのみが、直径5 μm近傍では基本モードに加え、高次モードが観測された。＜課題１－２＞ Eu添加GaN 2次元フォトニック結晶ナノ光共振器の設計と作製：六角形孔を有するL3シフト型においてEu発光とカップリングした共振ピークを明瞭に観測した。実測Q値は3,100であり、34倍のEu発光増強を実現した。これらの結果は、六角形孔を用いたフォトニック結晶が微小共振器として十分機能し、高輝度赤色発光を得るために有用であることを示唆している。
【課題２】電流励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題２－１＞ ZrO2 /SiO2 DBRとAlInN/GaN DBRからなるマイクロ光共振器を有する赤色LEDを作製した。各DBRの波長622 nmでの反射率はそれぞれ99.41%、84.03%であり、共振器Q値は84と求められた。垂直共振器型LEDにおいて11倍程度のEu発光増強が得られた。Purcell効果による輻射再結合確率の1.1倍の増大に加えて、受光面への光取り出し効率が増大したことを明らかにした。
今年度、電子線描画装置をナノサイエンスデザイン教育研究センターとの共用装置として導入し、既に基本性能の確認は終了している。
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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
主に、「光励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓」に取り組んでいる。フォトン操作を可能とするナノ構造の設計とナノメートルレベルで制御された半導体薄膜作製技術と半導体微細加工技術が有効に機能し始め、国内外の研究者の追随を許さない現状にある。得られたEu添加GaNナノ構造に対して光励起下においてフォトン場制御の有効性等、新しい事象を世界に先駆けて明らかにしつつある。また、本研究を推進するにあたり、半導体光物性を専門とする海外研究者との国際連携が強化され、世界的に見て、正に独壇場となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を継続的に発展させながら、フォトン場制御に関する研究の重心を「光励起下」から「電流励起下」へと移していく。
【課題１】光励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題１－１＞ マイクロディスク型Eu添加GaNマイクロ光共振器におけるEu発光機能の評価：構造的欠陥を極力抑え、直径や厚み、端面形状を最適化したマイクロディスク型マイクロ光共振器において、Eu発光特性を評価する。また、時間分解発光特性評価を通じて、Purcell効果の発現度合いを明らかにする。＜課題１－２＞Eu添加GaN 2次元フォトニック結晶ナノ光共振器の構造最適化とEu発光機能の評価： FDTDシミュレーションを用いて、更なる構造の最適化を行う。スタティック測定やダイナミック測定を行い、究極的なEu発光機能の発現とそのメカニズムを明らかにする。
【課題２】電流励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題２－１＞ダブルDBR型Eu添加GaNマイクロ光共振器を有するLEDの最適化とEu発光機能の評価：AlInN /GaN DBRの成長条件を最適化し、更なる高Q値化を目指す。共振器Q値とEu発光増強率との相関を調べ、フォトン場制御の有効性を電流注入下で明らかにする。
【課題３】フルカラー化への展開と集積化：＜課題３－１＞Tm添加AlxGa1-xNの作製とTm発光機能の評価： Tmイオン周辺局所構造の変調を目的として、MgやSi等の不純物共添加や多層構造への添加を行い、青色Tm発光の高輝度化を目指す。＜課題３－２＞Tb添加GaNの作製とTb発光機能の評価： OMVPE法によるGaNへのTb添加、ならびにTb発光特性の評価を行う。
観測される実験データを理論的に検証するために、光と物質の相互作用を精密に取り扱う手法を開発している研究者を研究協力者に加え、フォトン場の影響を積極的に取り入れた数値計算手法の構築を目指す。
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[Journal Article] Direct detection of rare earth ion distributions in gallium nitride and its influence on growth morphology2020
Author(s)
B. Mitchell. D. Timmerman, W. Zhu, J. Y. Lin, H. X. Jiang, J. Poplawsky, R. Ishii, Y. Kawakami, V. Dierolf, J. Tatebayashi, S. Ichikawa, and Y. Fujiwara
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Journal Title
Journal of Applied Physics
Volume: 127
Pages: 013102/1-9
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Valence states and the magnetism of Eu ions in Eu-doped GaN2020
Author(s)
T. Nunokawa, Y. Fujiwara, Y. Miyata, N. Fujimura, T. Sakurai, H. Ohta, A. Masago, H. Shinya, T. Fukushima, K. Sato, and H. Katayama-Yoshida
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Journal Title
Journal of Applied Physics
Volume: 127
Pages: 083901/1-7
DOI
Peer Reviewed
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