2013 Fiscal Year Annual Research Report
ＩｎＧａＮ量子構造活性層を内在する超薄膜ＧａＮナノウォール発光デバイスの研究
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24310106
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
菊池 昭彦 上智大学, 理工学部, 准教授 (90266073)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ナノ光デバイス / 量子構造 / 化合物半導体 / ナノ結晶 / ナノ加工 / ＧａＮ / ナノウォール / ナノコラム |
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| Research Abstract |
本研究は、研究代表者らが世界に先駆けて開発した新しいタイプの窒化物半導体ナノ結晶であるGaNナノウォールを用い、人工的に形状制御可能な究極のナノ結晶の実現と革新的光デバイスの開拓を目的として実施している。具体的には、①ナノウォール結晶の超薄膜化（<50nm）、②窒化物半導体に適用可能な低加工損傷かつ高精細ナノ加工技術の開発、③InGaN量細線や量子ドットを内在する超薄膜ナノウォール結晶の形成と基礎物性評価、④ナノウォールの形状自由度を駆使したナノ光デバイスの開拓等を行う。これらの研究により、制御可能なナノ構造における量子現象の発現と高効率光デバイス基盤技術の開発、ナノ物性制御技術の進展に伴う学術的・工学的側面からの社会貢献が期待される。本年度は、新規に開発した超薄膜GaNナノウォールの作製技術の確立に注力し、以下の研究成果を得た。
①電子ビーム描画（加速電圧75kV）による50nm以下（前年度比1/2以下を達成）の微細パターン描画条件を確立した。この技術は超薄膜GaNナノウォールを作製する選択結晶成長法とナノ加工法に共通する基礎であり、当該年度に目標値（<50nm）を達成できたことから今後の研究の加速が期待される。
②本研究で新規に開発したGaN結晶の水素雰囲気異方性熱エッチング（Hydrogen Environment Anisotropic Thermal Etching: HEATE）技術によるGaNナノウォール構造形成の可能性を検証し、上部幅50nm以下のナノウォール構造の形成に成功した。当該手法は、簡便な装置構成で毒性ガスを使用せず、再現性良く数十nm程度のGaNナノ構造を形成可能な新技術として期待される。
③電磁界シミュレーションを用いたナノウォールの導波モード解析を継続し、実際の構造作成に向けて、AlGaN膜上GaNナノウォール構造における導波モード形成条件を精査した。
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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
本研究の主要課題の一つである幅50nm以下の超薄膜GaNナノウォール構造をエッチング加工で作製する手法が比較的早期の段階にて開発された。本手法は、SiO2ナノマスクを形成したGaNエピタキシャル層を減圧水素雰囲気（約10Pa）中において1000℃付近で加熱し、GaNの熱分解を利用するものである。加工損傷に対する検討が必要であるが、毒性ガスを使用せず、簡便な装置構成で数十nm幅のGaNナノ構造を再現性良く形成できることから、直接ナノ構造を作製するだけでなく、選択成長用テンプレート等への利用も期待される。また、選択結晶成長によるナノウォールの形成も連携研究者である岸野教授により順調に進捗している。本年度は基盤技術であるナノウォール結晶作製技術に注力し、想定以上の進展が得られた。一方、InGaN量子構造の形成と光学評価が未実施であり、来年度の重点課題とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
HEATE法によるGaNナノ構造の作製条件の検討を進める。水素圧力や流量をパラメーターとして、できるだけ低温で制御性に優れたエッチングが可能な条件を探る。
InGaN量子井戸を内在したナノウォールの形成条件を把握し、顕微ホトルミネッセンス測定により発光特性の構造依存性を系統的に評価する。
500nm～1um厚のAlGaN膜上にGaNナノウォールを作製し、発光特性および導波特性を評価し、ナノウォールレーザに向けたデバイス構造の検討を行う。導波特性の実験結果を電磁界解析（FDTD）と比較検討し、構造の最適化を進める。ナノウォールへの均一な電流注入に向けた電極形成技術の開発を行い、ナノウォールレーザの実現に向けた研究を開始する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初購入予定の電子顕微鏡は同等装置が別途導入されたので購入を控えた。一方、新たなナノ加工技術であるHEATE法の研究が進み、翌年度における当該技術の進展のために使用する方が効率的であると判断した。
HEATE法によるナノ構造の作製において、GaN/AlGaN/Al2O3やGaN/InGaN/GaN/Al2O3等の多様な構造のエピタキシャルテンプレートを購入する。また、簡便かつ高スループットなナノパターン作製法であるナノインプリント装置の導入を検討し、本計画の推進に有効と判断されれば購入経費に充当する。現時点では、他の経費についての大幅な変更予定はない。
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