2013 Fiscal Year Research-status Report
オール窒化物半導体による白色光源の実現に向けた赤色発光層の開発
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24560362
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
松岡 隆志 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (40393730)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花田 貴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80211481)
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| Keywords | 窒化物半導体 / InGaN / MOVPE |
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| Research Abstract |
今年度は、白色発光ダイオードを構成するための青色から橙色領域の発光波長を有するInGaN/GaN量子井戸構造を作製した。これまでの研究で窒素極性(000-1)面を用いることによりIn取り込み効率が向上し、高InNモル分率を有するInGaNが得られることが分かったが、準安定な結晶層である閃亜鉛鉱構造の混在やヒロック形成により、結晶品質が劣化する傾向がしばしば見られた。そこで多重量子井戸を作製する際の成長条件を検討し結晶品質の改善を試みた。様々な条件で結晶成長を試みたところ、ヒロック形成と準安定層の混在には相関があり、非平衡な雰囲気で結晶成長を行うと表面荒れが生じ、結晶層が不安定になることが分かった。成長温度を上げ、V/III比を下げるなど、熱平衡に近い条件にすることで結晶層純度が高く、表面平坦性を原子層レベルまで向上することができた。X線回折から１次のサテライトを有する多重量子井戸からの回折が得られ、界面急峻性が向上していることを確認した。
これらの結果を元に発光ダイオードの試作を行った。準安定層やヒロックの形成を抑制するために、InGaN/GaN多重量子井戸を成長する際の成長雰囲気を変調させた。高InNモル分率を達成するためには非平衡な雰囲気にする必要があるため、InGaN成長時にはV/III比を高くすることでIn取り込みを向上させ、GaN成長時にはV/III比を下げ水素を導入することで表面マイグレーションを促進させた。その結果、最大でInNモル分率34%を有しつつ、準安定層やヒロックのない多重量子井戸を得ることに成功した。成長温度を変化することでInNモル分率を変化させることができ、発光波長（発光色）として445 nm（青色）から600 nm（橙色）の発光ダイオードの試作に成功した。
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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
オール窒化物半導体による白色光源の実現に向けて必要な要素技術は青色、緑色、赤色発光層である。様々な発光層を得るためには広い組成域で高品質なInGaN混晶膜を得る必要がある。本申請課題では、白色高原を実現するための要素として、窒素極性(000-1)面の導入と高温・高圧成長を提案している。平成２５年度は、成長条件を検討することにより窒素極性(000-1)面GaN上に界面急峻性に優れた多重量子井戸の作製に成功した。また、平成２４年度に確立したデバイス作製技術を用いて発光ダイオードを作製し、電流注入により青色から橙色の発光を得た。以上のことから白色光源を実現するための基本的な作製技術は既に確立できたと考えている。平成２６年度は、これらの技術を組み合わせ多色発光による白色LEDの作製を試みるが、今年度得られた結果を元に遂行可能な段階まで到達していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、緑色から赤色の発光を有する試料の内部量子効率向上を試みる。効率向上のためには、非輻射再結合の主な原因となる貫通転位密度の低減が必須である。貫通転位密度の低減に向けてSiO2マスクを用いた横方向成長を採用し、貫通転位密度を１桁低減する。内部量子効率をフォトルミネッセンス測定により評価し、貫通転位密度と内部量子効率の関係を明らかにする。
次に青色発光素子の下部に黄色もしくは緑色と赤色の発光層を埋め込んだ構造を作製し、電流注入によって青色を発光させ、その光で緑と赤色発光用結晶層を励起し、緑と赤色発光を得る。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
年度末にMOCVD装置のソフトウェア改修を委託していたが、予定していた作業日程が短縮されたため、作業費が見積額より安価となり余剰金が生じた。
余剰金は結晶成長に必要な水素ガスの購入に充てる。
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