2020 Fiscal Year Annual Research Report
Light emitting synthesizer : aiming to create the ultimate lighting devices
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20H05622
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
川上 養一 京都大学, 工学研究科, 教授 (30214604)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船戸 充 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)
石井 良太 京都大学, 工学研究科, 助教 (60737047)
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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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2025-03-31
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| Keywords | 発光シンセサイザー / 半導体3次元構造 / 発光高効率化 / 次世代照明 / 深紫外フォトニクス / 光空間無線通信 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は，半極性(-1-12-2)GaN基板上へのドーピング特性を精査するとともに，半極性面と非極性面からなるファセット型InGaN発光ダイオード(LED)を有機金属気相エピタキシー法（MOVPE）により作製した．作製したLEDは明確な整流特性を示すとともに，マスクの形状を変えることでファセットに依存した発光色からなる多色発光（400~600nm域）を示した．これらの成果は，極性面を持たないLED構造が，高効率多色発光体につながる可能性を示唆するものである．
つぎに，半導体面内で面方位を緩やかに分布させる新構造の探索に着手した．具体的には，レーザーリソグラフィーと反応性イオンエッティングによりエピタキシャル成長前にGaN（0001）基板（4μm角）の局所的な配向を変化させることで，InGaN量子井戸のインジウム組成を空間的に変化させ，発光波長を25nm以上変化させることに成功した．また，Spring-8を用いたサブマイクロメートルの空間分解組成分析を行うことで詳細な物性解明がなされた．これらの成果は，ブロードバンド系の(In,Al,Ga)N系スーパールミネッセントLEDのデバイス設計の基礎となるものである．
AlGaN系の深紫外発光材料に関しては，半極性(1-102)面AlNバルク結晶上のAlGaN層の格子緩和機構の解明や，AlGaN活性層の非輻射再結合中心の形成に関する基礎物性解明に関して成果があった．これらは，将来の深紫外多波長発光素子の進展に繋がるものである．
さらに，金属ナノ構造間の表面プラズモンモード結合を利用して，プラズモニクスの効果を深紫外～近赤外の広い波長域に拡張することに成功した．著しく強い光閉じ込め効果と高いQ値が実験と計算の両方から得られ，更なる高効率・高速発光への指針が得られた．
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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
マルチファセットInGaN系発光ダイオード（LED）は、単一の半導体素子による蛍光体フリーな多色発光デバイス（すなわち，発光シンセサイザー）として有望であり，本研究プロジェクトの根幹となる素子構造である．2020年度は， 新しい InGaN系多色発光構造として，半極性 GaN基板上への極性面フリーなマルチファセット構造の作製に成功するとともに，同構造をベースとした多色発光 LEDの動作も実証した．また，マルチファセット GaN構造および InGaN発光層の結晶成長ダイナミクスについても解明が進められた．したがって，現在までの進捗状況としては，可視域の発光シンセサイザー実現に向けて，マルチファセットLEDの物性解明と制御に向けて順調に進捗していると自己評価している．さらに，半導体面内で面方位を緩やかに分布させる新構造の探索を開始し，InGaNの発光波長を4μメートル角内で25nmの範囲で緩やかに分布させることに成功しており，幸先の良いスタートを切ることができたと考えている．
AlGaN系の深紫外発光材料に関しては，格子緩和機構や非輻射再結合中心形成機構などに関して知見が得られている．深紫外域多波長発光制御のためには，マクロステップ端でのAlGaN系1次元局在発光中心の形成やGaN系極薄量子井戸構造の利用などを計画しており，端緒についたばかりではあるが，得られた基礎物性の解明に関する成果は，詳細な構造設計や成長条件に向けて重要な指針になるものと確信している．
また，当初目的であるプラズモニクスを利用した高効率化発光の解明・最適化・応用に加えて，透明酸化薄膜を利用したInGaN/GaN量子井戸の著しい高効率化に成功した．これが解明・利用できれば金属を使うプラズモニクスの欠点をすべて解決し得るため，デバイス応用の可能性が大きく広がる．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) InGaN系多波長発光のための基板・プロセス探索：可視全域をカバーするInGaN系多波長発光を実現するために，昨年度に引き続き，有機金属気相エピタキシー（MOVPE）のSiO2マスク上への再成長技術によって，極性面フリーな3次元GaNテンプレートの構造制御に取り組む．具体的には，非極性面GaN基板の面方位やSiO2ストライプの方向・ウインドウ幅・マスク幅・フィリングファクターなどによって所望の3次元マイクロ構造を作製するための，最適なパラメーターを探索する．さらに，GaN基板のオフ角をなだらかに分布させるマイクロテンプレート構造における発光波長分布の制御性に関する系統的な実験に着手する．
(2) AlGaN系多波長発光のための基板・プロセス探索：ナノスケールのポテンシャルの制御例として，マクロステップ端においてAlGaN系1次元局在発光中心が形成され，高効率深紫外発光に寄与していることが明らかされている．さらに，ごく最近，AlN/GaN極薄量子井戸構造をこのマクロステップ構造に形成することで，高効率発光を220~230nm域まで短波長化しうることが明らかとなってきた．そこで，これらマイクロおよびナノの異なる空間階層を複合的に利用した紫外域多波長発光の実現を目指して最適な基板・プロセスを探索する．
(4)プラズモン効果による発光効率の増強：電磁場解析計算，ナノ構造の作製・評価，時間空間分解測定による解析・解明を駆使して，金属と非金属を用いた両方の場合の発光増強効果の評価，解明，最適化を引き続き行い，更なる波長チューナビリティ，高効率化，高効率発光素子としてのデバイス応用を目指す．これらの効果は，発光再結合寿命を短くする効果があるため，LEDを利用した光無線通信技術（LiFi）の高速化にも繋がる．そこで，時間分解分光やLiFi応用に向けた実証実験にも着手する．
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[Journal Article] Influence of substrate misorientation on the emission and waveguiding properties of a blue (In,Al,Ga)N laser-like structure studied by synchrotron radiation microbeam X-ray diffraction2021
Author(s)
A. Kafar, A. Sakaki, R. Ishii, S. Stanczyk, K. Gibasiewicz, Y. Matsuda, D. Schiavon, S. Grzanka, T. Suski, P. Perlin, M. Funato, and Y. Kawakami
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Journal Title
Photonics Research
Volume: 9
Pages: 299 - 307
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Above 25 nm emission wavelength shift in blue-violet InGaN quantum wells induced by GaN substrate misorientation profiling: towards broad-band superluminescent diodes2020
Author(s)
A. Kafar, R. Ishii, K. Gibasiewicz, Y. Matsuda, S. Stanczyk, D. Schiavon, S. Grzanka, M. Tano, A. Sakaki, T. Suski, P. Perlin, M. Funato, and Y. Kawakami
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Journal Title
Optics Express
Volume: 28
Pages: 22524 - 22539
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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