2014 Fiscal Year Annual Research Report
希土類添加窒化物半導体における赤色発光機構の解明／制御による高輝度発光素子の開発
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24226009
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤原 康文 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10181421)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 博 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (30133929)
小泉 淳 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30418735)
寺井 慶和 九州工業大学, 情報工学研究院, 教授 (90360049)
児島 貴徳 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70725100)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 希土類元素 / エネルギー輸送機構 / 局所構造 / オプトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は、従来の発光ダイオード(LED)とは全く発光原理が異なる、ユウロピウム(Eu)添加GaNを用いた窒化物半導体赤色LEDの開発に、世界に先駆けて成功している。本研究では、究極のナノテクノロジーである、半導体への原子レベル制御Eu添加手法を基盤とし、計算機ナノマテリアルデザイン手法との強力な有機的連携のもとに、Eu励起機構の解明と制御に立脚して、日本発オリジナルである「Eu添加窒化物半導体を用いた赤色LED」の高輝度化を達成することを目指している。
今年度はEu添加GaNに関して、昨年度に引き続き、「GaN母体からEuへのエネルギー輸送機構の解明（課題１）」、「Eu添加GaNへの不純物添加効果の解明（課題２）」、「人為的に形成されたナノ超構造へのEu添加効果の解明（課題３）」に取り組んだ。（１）GaN母体からEuへのエネルギー輸送効率がEu発光中心の局所構造に強く依存すること、エネルギー輸送効率の高いEu発光中心にはEuの近傍にアクセプタとして働く点欠陥とドナーとして働く点欠陥が共存する必要があることを明らかにした。（２）Mg共添加について、新しく形成されたEu発光中心として、Eu-Mgに加えてN空孔とHが関係した3種類の配置が存在すること、電子線照射により、結晶中でHが動き回り、それに応じてHの配置が異なる3種類のEu発光中心に対応する発光スペクトルが観測されること、理論的な予測として、Mgに加えて、ドナーとして働くOを共添加することにより、発光強度の更なる増大が期待されることを明らかにした。（３）Al0.08Ga0.92N/Eu添加GaN多重量子井戸構造において、単位膜厚あたりのEu発光強度は量子井戸層厚の低下と共に増大し、4.3 nmにおいてバルク試料に比べて、約4倍となること、LED特性がバルク構造LEDに比べて、約3倍増大することを明らかにした。
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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
Eu添加GaNに対する国際共同研究が軌道に乗り、（１）原子レベルで制御して「ソフト」にEuをGaNへ添加する技術、（２）Eu添加GaN中に形成されるEu局所構造を、Eu発光特性と関連づけて明確に評価する技術、（３）第一原理計算によりGaN中で形成されるEu局所構造とその安定性を評価する技術が三位一体となり機能している。その結果として、本研究課題で取り上げる「GaN 母体からEu へのエネルギー輸送」の鍵を握る、励起効率の高いEu局所構造の全貌が明らかになりつつあり、その知見を基にしてLED特性において実証する段階に達している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果を継続的に発展させながら、以下の研究課題に取り組む。
(1) GaN母体からEuへのエネルギー輸送時間の実測：フェムト秒レーザを用いたTransient Induced Absorption測定により、各Eu発光中心へのエネルギー輸送時間を直接的に実測する。(2) Euに起因するトラップの同定： Deep Level Transient Spectroscopy測定によりEu添加、さらには不純物共添加によりバンドギャップ内に形成されるトラップを同定する。(3) GaN中に形成された高品質なInxGa1-xN量子井戸へのEu添加：高品質なInxGa1-xN量子井戸に添加されたEu発光特性を明らかにする。(4) 高輝度なEu赤色発光を示すEu含有自己組織化ナノ超構造の形成（課題４）： 自己組織化ナノ超構造とその創製法を予測する多階層連結量子シミュレーションと連携して、Eu含有自己組織化ナノ超構造を作製し、その特性を明らかにする。(5) LEDの高輝度化の実証： 当面の目標を「実用化レベル：1 mWの達成」に設定し、本研究の成果をLED特性として実証する。
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[Journal Article] Direct transparent electrode patterning on layered GaN substrate by screen printing of indium tin oxide nanoparticle ink for Eu-doped GaN red light-emitting diode2014
Author(s)
Y. Kashiwagi, A. Koizumi, Y. Takemura, S. Furuta, M. Yamamoto, M. Saitoh, M. Takahashi, T. Ohno, Y. Fujiwara, K. Murahashi, K. Ohtsuka, and M. Nakamoto
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 105
Pages: 223509/1-4
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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