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酸化亜鉛・窒化アルミニウムを用いたハイブリッド深紫外発光素子の開発

研究課題

研究課題/領域番号 11J09592
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 機能材料・デバイス
研究機関東京大学

研究代表者

上野 耕平  東京大学, 放射光連携研究機構, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2011 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
2,400千円 (直接経費: 2,400千円)
2013年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2012年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2011年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード固体発光素子 / 窒化アルミニウム / 酸化亜鉛 / 窒化物半導体
研究概要

ZnO/AINヘテロ界面の実現には、界面反応を抑制するためにパルス励起堆積法による低温成長技術が必要不可欠である。しかしながら、このような低温成長では急峻なヘテロ界面の作製は可能であるものの、成長した窒化物薄膜の残留不純物濃度は高く、またアンチサイトといった点欠陥の混入によりデバイスクオリティの薄膜の作製が難しかつた。このような点欠陥の生成エネルギーは、薄膜成長中の表面ストイキオメトリーに依存すること知られているが、パルス励起堆積法を用いた窒化物薄膜成長では詳細な検討が行われてこなかった。そこで本年度では、ZnO/AINヘテロ界面を利用した発光素子実現に向けて、パルス励起堆積法による低温成長を利用したデバイスクオリティの窒化物半導体薄膜作製可能性について検討を行った。具体的には、ZnO基板上に急峻なヘテロ界面を有する窒化物薄膜の作製が可能である500℃以下に、発光素子の作製プロセス温度を低減することを目的とした。
本研究では初期検討として、成長温度480℃においてGaN基板上にIII族およびN原料供給比を変えてGaN薄膜成長を行い、構造特性および電気特性の評価を行つた。III族/N原料供給比を精密に制御し、ストイキオメトリックな条件で成長を行うことで点欠陥の混入を抑制し、低温成長においても残留電子濃度lo^<18>cm^<-3>前半にまで低減可能であることを見いだした。また、そのような条件でMgドーピングを行ったところ、GaN薄膜は明瞭なp型伝導性を示し、ホール濃度は3.0×10^<17>cm^<-3>、移動度は3.1cm^2V^<-2>s^<-1>であつた。さらに本結果をもとに、窒化物発光ダイオードの試作を行つたところ、作製した素子は明瞭な整流性を示した。また順バイアスをかけ電流注入を行ったところ、強いエレクトロルミネッセンスが得られ、LED動作を実現した。
本結果は、従来、低温成長ではデバイスクオリティの窒化物半導体薄膜の作製は難しいとされてきた既成概念を覆し、精密なストイキオメトリー制御を行うことで、480℃という低温においても窒化物半導体薄膜のp型およびn型伝導性制御、LED素子の作製が可能であることを示した世界で初めての例である。ZnO基板上に良好なヘテロ界面を有する窒化物薄膜を成長するためにはパルス励起堆積法の低温成長技術は必要不可欠であり、ZnO/AlNヘテロ界面を利用した窒化物発光素子の実現にとって、本成果はキーテクノロジーとなると考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度では、ZnO/AINヘテロ界面の形成に必要不可欠であるパルス励起堆積法の低温成長技術を用いて、実際にデバイスクオリティの窒化物薄膜の作製が可能であることを見いだした。作製した発光ダイオードは明瞭な整流性を示し、電流注入を行つたところ強いエレクトロルミネッセンスが得られた。本結果は、ZnO基板上に窒化物発光素子を作製する上でのキーテクノロジーであり、ZnO/AINヘテロ界面を利用した深紫外発光素子の実現が期待できる。

今後の研究の推進方策

パルス励起堆積法の窒化物薄膜低温成長技術を用いて、ZnO基板上に発光素子の作製を行う。特に、ZnO/AINヘテロ界面の作製およびその構造・電気特性の評価を通してlp型ZnOからn型AINへのホール注入の実現を目指す。また新たな展開として、本研究で開発した窒化物薄膜低温成長技術により、これまで耐熱性の観点から窒化物成長用基板として用いられてこなかったガラス基板等への発光素子作製が期待できる。ガラスのような安価で大面積な基板上に窒化物発光素子の作製を実現すれば、大面積発光素子の実現や素子の低コスト化が期待され、産業界に与えるインパクトが大きいと考えられる。

報告書

(3件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2014 2013 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (16件)

  • [雑誌論文] Effect of growth stoichiometry on the structural properties of AIN films on thermally nitrided sapphire (1120)2014

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 雑誌名

      Physics status solidi Rapid Research Letter

      巻: 8 号: 3 ページ: 256-259

    • DOI

      10.1002/pssr.201308275

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dramatic reduction in process temperature of InGaN-based light-emitting diodes by pulsed sputtering growth technique2014

    • 著者名/発表者名
      中村 英司、上野 耕平
    • 雑誌名

      Applied Physics Letter

      巻: 104 号: 5 ページ: 051121-051121

    • DOI

      10.1063/1.4864283

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Demonstration of enhanced optical polarization for improved deep ultraviolet light extraction in coherently grown on semipolar Al_<0.83>Ga_<0.17>N/AlN on ZnO2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 雑誌名

      Applied Physics Letter

      巻: 99 号: 12

    • DOI

      10.1063/1.3641876

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] PSD法により成長したInGaN薄膜の光学特性評価2014

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      第61回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      神奈川県、青山学院大学
    • 年月日
      2014-03-20
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 窒化物発光素子製造プロセスの低温化2013

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      第43回結晶成長国内会議
    • 発表場所
      長野県、長野市生涯学習センター
    • 年月日
      2013-11-07
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Defect reduction by homoepitaxial growth of AIN on the thermally nitrid ed sapphire using pulsed sputtering technique2013

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      JSAP-MRS Joint Symposia
    • 発表場所
      京都府、同志社大学
    • 年月日
      2013-09-18
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Development of low temperature fabrication process for light emitting devices2013

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      10^<th> International Conference on Nitride Semicon duclors
    • 発表場所
      アメリカ、ワシントンD.C.
    • 年月日
      2013-08-26
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] PSD法によるパターンサファイア基板上GaN薄膜成長2013

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      第60回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      神奈川県、神奈川工科大学
    • 年月日
      2013-03-30
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] パルススパッタ堆積法によるサファイア基板上GaN(000-1)薄膜の高品質化2012

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      第42回結晶成長国内会議
    • 発表場所
      福岡県、九州大学
    • 年月日
      2012-11-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Pulsed sputtering deposition of high-quality AlN on thermally-nitrided sapphire substrates2012

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      International Workshop on Nitride semiconductors 2012
    • 発表場所
      北海道、札幌コンベンションセンター
    • 年月日
      2012-10-17
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] サファイア基板上への高品質N極性GaN薄膜成長2012

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛県、愛媛大学
    • 年月日
      2012-09-12
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Dramatic improvement in the crystalline quality of AlN grown on thermally-nitrided sapphire substrates by pulsed sputtering deposition2012

    • 著者名/発表者名
      上野 耕平
    • 学会等名
      4^<th> International Symposium on Growth of III-Nitrides
    • 発表場所
      ロシア、サンクトペテルブルグ
    • 年月日
      2012-07-17
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 窒化サファイア基板上に成長したAlN薄膜の高品質化2012

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-16
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Demonstration of nitride based light emitting diodes on the thermally-nitrided sapphire substrates using a polarity control technique by the surface oxidation2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      6th International symposium on surface science
    • 発表場所
      船堀タワー(東京都)
    • 年月日
      2011-12-13
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] パルススパッタ堆積法による窒化サファイア基板上へのAlN単結晶薄膜成長と発光素子の試作2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      第41回結晶成長国内会議
    • 発表場所
      つくば国際会議場(茨城県)
    • 年月日
      2011-11-03
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 非極性面ZnO基板上AlGaN/AlNヘテロ構造の作製と評価2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      第41回結晶成長国内会議
    • 発表場所
      つくば国際会議場(茨城県)(招待講演)
    • 年月日
      2011-11-03
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 極性を制御した窒化サファイア基板上への窒化物半導体発光素子の試作2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学(山形県)
    • 年月日
      2011-08-31
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Polarity control of AlN epilayers grown on thermally-nitrided sapphire substrates2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      9th International Conference on Nitride Semiconductors
    • 発表場所
      スコットランド、グラスゴー
    • 年月日
      2011-07-11
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 半極性面ZnO基板上に成長した高Al組成AlGaNの偏光特性評価2011

    • 著者名/発表者名
      上野耕平
    • 学会等名
      第3回窒化物半導体結晶成長講演会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県)
    • 年月日
      2011-06-18
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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