2013 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ結晶効果によるエネルギー・環境適合デバイスの革新
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24000013
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
岸野 克巳 上智大学, 理工学部, 教授 (90134824)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大槻 東巳 上智大学, 理工学部, 教授 (50201976)
関口 寛人 豊橋技術科学大学, 工学研究科, 講師 (00580599)
光野 徹也 静岡大学, 工学研究科, 助教 (20612089)
江馬 一弘 上智大学, 理工学部, 教授 (40194021)
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| Project Period (FY) |
2012-05-29 – 2017-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / ナノコラム / 三原色 / LED / フォトニック結晶 / ランダムレーザ / 選択成長 |
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| Research Abstract |
本研究は、規則配列GaNナノコラムのコラム径細線化で発現されるナノ結晶効果の学術的解明を進め、InGaN系窒化物半導体デバイスが直面する材料的課題を克服することを目的としている。
1. 最終段階ではコラム径10-50㎚までの細線化を目指している。電子ビーム描画装置の極限性能(ホール径10㎚、周期50㎚)までのマスク作製法を確立し、新たにICPドライエッチング装置を導入し、ホール径30㎚、深さ20㎚までの微細Tiマスクパターン作製を実証した。併行して現有のドライエッチング装置の性能限界までの選択成長用ナノマスクパターンを作製し、結晶成長を行い、細線化とともにGaN初期核成長が難しく困難を極めたが、周期80㎚、コラム径70㎚までの規則配列GaNナノコラム成長を実現した。
2. InGaN/GaNナノコラムの光励起キャリアダイナミクスと内部量子効率を検討し、ナノコラム規則配列化で発現されるフォトニックレーザ特性と、配列ゆらぎの導入によるランダムレーザ特性を探究した。
3. Si基板上GaNナノコラムは、大面積化、フリップチップデバイスなど、ナノコラムLED/LDの産業展開の基盤技術となる。AIN/Si核形成層を活用してSi基板上のナノコラム選択成長法の開拓を進め、成長条件を探索し、Si基板上規則配列ナノコラムを得て、青～赤色域PL発光を得た。
4. 三原色集積型ナノコラムLEDは新たなフルカラー分野の基幹デバイスである。GaN/Al203テンプレート上にコラム径を変化させ、規則配列ナノコラムLEDを集積化させ、初期的特性ではあるが、青色、空色、緑色、黄色の四色集積型LEDの試作に成功した。
5. 緑色～赤色ナノコラムLED結晶において、ナノコラムフォトニック結晶効果に基づく放射ビーム先鋭化のナノコラム構造依存性を探究し、ナノコラムLEDのディスプレイ応用上の優れた特性の一端を実証した。
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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
1. 規則配列GaNナノコラム超細線化は、最終段階でコラム径10-50㎚域まで挑戦するが、本年度は細線ナノコラム選択成長用パターン作製の基礎技術の確立が進み、パターンホール径10㎚. 周期50㎚の電子ビーム描画の極限性能を実証しつつ、新規導入ドライエッチング装置でホール径30㎚までのホールパターン作製を得た。規則配列GaNナノコラムは、コラム径70㎚までの均一配列ナノコラムの成長法を確立して、計画通りの進展を得た。ナノ結晶効果の解明では、引き続いて集団ナノコラムの規則性とフォトニック結晶効果の発現と配列揺らぎによるランダムレーザ特性の解明が進み、単一ナノコラム内のInGaN発光特性では20Kで0.5-5meVの狭線幅発光を得て、コラム径70-105㎚域のPL発光特性のコラム径依存性も開始された。
2. ナノコラム発光色制御と異なった発光色のLED一体集積化では、コラム径を変化させつつ同一基板上にナノコラムLEDを作製し、隣り合った領域から青色、空色、緑色、黄色で発光するナノコラムLEDの四色集積化の基礎的実験に成功し、研究はスムーズに進展している。
3. 本年度の特筆すべき進展は、ナノコラムLED結晶内のナノコラム規則配列化によるフォトニック結晶効果の発現に基づく橙色ナノコラムLEDで放射角の狭い放射ビーム特性が観測された点である。ディスプレイ応用上のナノコラムLEDの優越性を示すもので、基礎的とはいえ最終段階で目指していた特性を得て、研究の方向性への妥当性が示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 前年度導入の精密ICPドライエッチング装置を用いて、三角格子状(格子定数 : 50-200㎚)に配列したTiマスクナノホールパターン(ホール径 : 50-100㎚)を作製し、コラム径50-100㎚の規則配列GaNナノコラムを成長する。成長再現性に適するナノテンプレート選択成長法の検討を深め、AlGaNナノコラム成長を進める。
2. コラム径域(50-100㎚でInGaN系規則配列ナノコラムを成長させ、PL特性評価(温度依存性、時分解PLなど)を行い、PL-IQEとIn組成揺らぎのコラム径依存性を調べる。さらに、コラム細線化が貫通転位の低減、光取出効率の向上、格子ひずみの抑制、量子ドット効果へ与える寄与を、学術的に探究する。LEDチップ化、ダイボンディング、ワイヤボンディング法を検討して、積分球による発光効率の測定の基礎技術を確立する。
3. Si基板上InGaN系ナノコラム結晶のウエハーボンディング/Si基板除去プロセスを進め、高効率発光に適する自立ナノコラムLED作製法を探索する。GaNテンプレート上で面発光型ナノコラムレーザ試作を進めつつ、光励起実験を継続する。
4. ナノコラム細線化が赤色域の高効率化に寄与しうるか、コラム径50-100㎚の赤色発光ナノコラム結晶を作り、PL-IQE測定を行い、ナノ結晶効果を学術的に調べる。
5. 引き続いて発光色制御メカニズムの理解を進め、発光色設計法を確立すべく理論的検討を進める。集積型ナノコラムLEDを試作しながら、結晶/デバイスプロセスの最適化を進めて、LED性能向上を探究する。
6. InGaN系ナノコラムLEDの鋭い放射ビーム特性の探索を深める。コラム径、コラム周期を系統的に変化させながら放射ビーム特性を測定し、ナノコラム構造パラメータ依存性を調べ、LED構造設計の基礎的資料を得る。
7. GaNナノ/マイクロプレート、GaNナノウォール研究を進め、GaNナノコラムへのInGaN量子ドット内在化を進める。
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[Journal Article] Experimental proof of universal conductance fluctuation in Quasi-one-dimensional epitaxial Bi2Se3 wires2013
Author(s)
S. Matsuo, K. Chida, D. Chiba, T. Ono, K. Slevin, K. Kobayashi, T Ohtsuki, C. -Z. Chang, K. He, X. -C. Ma, Q. -K. Xue
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 88
Pages: 155438-1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Random lasing and distributed feedback lasing in InGaN/GaN nanocolumn arrays2013
Author(s)
Y. Inose, H. Ueda, K. Ema, R. Vadivelu, Y. Igawa, K. Kishino, and T. Ohtsuki
Organizer
Nonlinear Optics (NLO) 2013, NTh1A. 4
Place of Presentation
The Fairmont Orchid, Kohala Coast, Hawaii, USA
Year and Date
20130721-26
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[Presentation] GaN Nanocolumn Light-Emitters, Growth, and Optical Characterization2013
Author(s)
K. Kishino, A. Yanagihara, Y. Igawa, K. Ikeda, T. Ozaki, S Ishizawa, K. Yamano and R. Vadivelu
Organizer
The 10th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, and The 18th OptoElectronics and Communications Conference / Photonics in Switching 2013 (CLEO-PR & OECC/PS 2013)
Place of Presentation
Kyoto, Japan
Year and Date
20130630-0704
Invited
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