2020 Fiscal Year Annual Research Report
Innovation of Three Primary Colors Emitting Devices by Nanocolumn Crystals
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19H00874
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
岸野 克巳 上智大学, 上智大学, 教授 (90134824)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 一郎 上智大学, 理工学部, 教授 (00266074)
大音 隆男 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (20749931)
富樫 理恵 上智大学, 理工学部, 助教 (50444112)
山口 智広 工学院大学, 先進工学部, 准教授 (50454517)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 三原色集積型光デバイス / ナノコラム / InGaN / LED / レーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コラム周期Lとして100～400nmを有する高充填率(70-80％)・GaN規則配列ナノコラムを同一基板上に作製し、コラムトップに厚膜InGaN発光層を内在化させ、InGaN層厚をパラメータにしながら、発光波長のコラム周期依存性を調べ、発光色メカニズムの解明を進めた。発光波長は、コラム周期（すなわちコラム径D）の増加とともに長波長シフトし、ある周期以上では短波長側に変化する依存性がみられた。一方、L=280-350 nmに対してDを変化させた規則配列ナノコラムを成長させ、そのフォトニックバンド端波長のコラム寸法依存性を系統的に整理した。
縦方向コラム径変化による光導波構造の内在化法として、n型GaNナノコラム成長中にⅤ/Ⅲ族比をGaリッチ条件に制御して、コラム径が急速に増加させ、平坦なコラムトップ形状を形成させた。この上にInGaN/AlGaN 多重量子井戸活性層を成長させ、発光波長を550nm（緑色）から670nm（赤色）まで制御した。フォトニック結晶（PhC）効果に起因して、×5対物レンズ測定で、赤色域の波長673nmで半値全幅(FWHM)が18.9nmの鋭いフォトルミネッセンス（PL）発光が観測された。PhC効果に依らない赤色域InGaNバンド端発光でも、波長630 nm、FWHM=40 nmの良好なPL発光を得た。
赤色域の発光効率向上のためInGaN/GaNナノコラムの表面プラズモニック効果を検討した。ハニカム構造ナノコラム系で発光増強メカニズムのFDTDシミュレーションを行い、プラズモニックバンド端で表面プラズモンの定在波が発生し、放射光が共振方向へ強く取りだされることを示した。実験的な考察も進め、ナノコラム結晶上部から発光評価を行うため、コラム側面片側にAgを蒸着し、反対側面から光励起・検出を行って、波長610 nmで約3.5倍の発光増強を観測することに成功した。
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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
InGaN/GaNナノコラムのコラム径変化による発光色変化メカニズムを解明するため、PL発光測定に加えて透過型電子顕微鏡とEDX組成分析を進め、従来考えていた現象と異なり、すべてのコラム径領域でコアシェルInGaN構造が形成され、InGaNコア領域の形状と体積変化によって発光波長が変化することを明らかにした。ナノコラム発光はダブルピーク発光で長波長側ピークがコラム径とともに変化するが、色純度向上には短波長側ピークを抑制する必要がある。そこで活性層の成長時間を5、 10、15 minとしたサンプルを作り、相互に比較検討して、ｃ面コラムトップの形成前の下部に成長する土台InGaNが低波長成分を構成していることが明らかとなった。この研究成果を受けて、低波長ピーク成分となる土台InGaN体積を減らす新たな手法を開拓することで、発光スペクトルの色純度向上へ道筋が示された。
一方、放射ビーム角の小さなナノコラムLEDの多色発光集積化実験を進め、緑、黄、橙色LEDの一体集積化に成功した。ここでは、コラム周期を320nmに一定に保ちながら隣り合った規則配列ナノコラムでコラム径を変化させてInGaN発光色制御を行い、コラム径変化でフォトニックバンド端波長を制御し、鋭い放射ビームの集積型LEDの基礎実験が行われた。
ナノコラム系への光導波路構造の内在化、発光層InGaN/AlGaN量子井戸の最適化も順調に進んだ。コラム径を増大させた平坦トップ形状のn型GaNナノコラム上にInGaN/GaN超格子光閉じ込め層、InGaN/AlGaN量子井戸活性層を成長させ、レーザ構造の前段階となる光導波路構造の形成が進んだ。
ナノコラムプラズモニック結晶による赤色発光増強では、LED適用に有利なハニカム構造での理論解析を進めるとともに従来のAu膜に加えて光吸収の少ないAg膜でもプラズモニック発光増強効果が実証された。
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| Strategy for Future Research Activity |
高充填率の規則配列InGaN/GaNナノコラムの発光色変化とフォトニックバンド端波長のコラム寸法依存性メカニズムの解明を深め、InGaN発光波長とバンド端波長を整合させる設計法を探索する。単一ナノコラムの発光色制御法を解明し、単一ナノコラム発光デバイス基礎を確立する。c面(極性面)とｒ面(非極性面)のInGaN活性層の成長制御法を確立し、極性面による発光デバイス性能の違いを明らかにする。コラム径を急に変化させる成長制御によってコラム軸方向で実効屈折率を変化させ、光導波路構造の最適化を進める。フォトニック結晶効果を発現する多色発光ナノコラムLEDの一体集積化を実現し、放射ビーム指向性、発光波長の電流依存性を調べる。
計画したSi基板上誘電体多層膜反射鏡上へのナノコラム成長に加えて、GaN基板上にInGaN/GaNナノコラムの規則配列化を進め、基板裏面に多層膜反射鏡をもつ面発光型レーザ構造に向けた検討を開始する。
クラスタ配列ナノコラムによってコラム細線化を進めて、ナノ結晶効果を発現させ赤色域の発光効率向上を進める。このナノ結晶効果に加えてナノコラムプラズモニクス現象を活用して、赤色域のさらなる高効率化を探究する。InGaN/GaNナノコラム側面に赤色域にプラズモン共鳴波長をもつAuあるいはAg薄膜を装着して、表面プラズモン結晶を作り、その発光効率増強効果を理論的に解析し、実験的にも調べて、プラズモン効果を解明する。電流注入型プラズモニックナノコラムLED実現を目指して、コラム側面への金属蒸着が容易となるハニカム格子あるいはカゴメ格子配列ナノコラム結晶を成長させ、コラム間距離の大きな領域のコラム側面にAu薄膜を蒸着し、プラズモニクス・フォトニック結晶効果の発現効果を実験的・理論的に解明する。ナノコラムプラズモニックLEDの試作を進め、LEDにおけるプラズモニック効果発現に挑戦する。
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[Presentation] In situ XRD RSM measurements in MBE growth of GaInN film with low-temperature GaInN buffer layer2021
Author(s)
T. Yamaguchi, T. Sasaki, T. Kiguchi, S. Ohno, H. Hirukawa, R. Yoshida, T. Onuma, T. Honda, M. Takahasi, T. Araki, Y. Nanishi
Organizer
8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
Int'l Joint Research
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