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InGaN系半導体光材料のナノポテンシャル制御とデバイス応用

研究課題

研究課題/領域番号 22K14613
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分30010:結晶工学関連
研究機関京都大学

研究代表者

松田 祥伸  京都大学, 工学研究科, 特定助教 (00902066)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード窒化物半導体 / 非極性面 / 半極性面 / マイクロ構造 / 発光ダイオード
研究開始時の研究の概要

InGaN系発光デバイスの発展は目覚ましく,高効率な青色発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)が実用化されている.一方で,可視光全域への応用展開においては,InGaN発光層のIn組成が高くなる長波長領域での発光効率低下が未解決課題である.これに対して,InGaN発光層の歪誘起電界を抑制する観点から.非極性面が注目されている.本研究の目的は,窒化物半導体InGaNのナノ特異構造を非極性面上に作製し,意図的なポテンシャル揺らぎを形成することで,高効率InGaN LEDの実現することである.ナノ特異構造は,特殊加工された基板上に窒化物半導体を結晶成長させることで形成する.

研究実績の概要

本研究は,窒化物半導体InGaNをベースとした単色発光デバイスの高効率化を目的として,InGaN系発光デバイスを,オフ角をつけた特殊な非極性面基板に作製し,その結晶品質の向上を狙うものである.本年度は,局所的にオフ角を制御する手法として,サーマルリフロー法を用いたマイクロレンズ状構造の作製に取り組んだ.具体的には,(-1-12-2)面GaN基板上に,フィトリソグラフィによって円形のレジストを形成し,熱処理によって凸レンズ状に変形させた.そして,ドライエッチングを用いてレジスト形状を基板に転写することで, GaNマイクロレンズ構造を作製した.その結果,結晶面の非対称性にもかかわらず,同心円状の高さ分布を有するレンズ状構造を得られることを見出した.さらに,この構造上にInGaN量子井戸を有機金属気相成長法によって成膜した結果,結晶面の非対称性を反映した異方的な発光波長分布が観察された.構造解析の結果,波長分布の主因はIn組成分布によるものであることが明らかとなった.さらに,InGaN量子井戸の結晶成長温度を制御することで,波長域の変化幅を増大させられることを見出した.以上の成果は,英文論文誌2報に掲載されるに至った.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

サーマルリフロー法によって局所的にオフ角をつける新たなプロセスを確立することが出来た.対称性の低い半極性面に特有の異方的な発光波長分布が,In組成分布に起因することを明らかにした.本成果は,オフ角の傾斜方向によってIn組成が変化することを意味しており,ナノポテンシャル制御に向けて重要な知見である.さらに,InGaN量子井戸の結晶成長温度を制御することで,波長域の変化幅を増大させられることを見出した.

今後の研究の推進方策

3年目は,オフ角基板上での高品質なエピタキシャル膜の検討と合わせて,興味深い光物性を示すマイクロレンズ構造上InGaN量子井戸の研究にも積極的に取り組む.今後は,ナノポテンシャル制御に向けて,より詳細な発光特性分布を明らかにするべく,発光スペクトルマッピングにも着手する.また,結晶成長条件の最適化によって,高効率化への指針の獲得を目指す.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] A review of three-dimensional structure-controlled InGaN quantum wells for efficient visible polychromatic light emitters2023

    • 著者名/発表者名
      Funato Mitsuru、Matsuda Yoshinobu、Kawakami Yoichi
    • 雑誌名

      Semiconductor Science and Technology

      巻: 39 号: 1 ページ: 013002-013002

    • DOI

      10.1088/1361-6641/ad12de

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Anisotropic emission wavelength distribution of semipolar InGaN quantum wells on symmetric convex lens-shaped GaN microstructures2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuda Yoshinobu、Sakaki Atsushi、Funato Mitsuru、Kawakami Yoichi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 号: 24 ページ: 241105-241105

    • DOI

      10.1063/5.0175071

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Flexible topographical design of light-emitting diodes realizing electrically controllable multi-wavelength spectra2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuda Yoshinobu、Umemoto Ryunosuke、Funato Mitsuru、Kawakami Yoichi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 12665-12665

    • DOI

      10.1038/s41598-023-39791-2

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] InGaN-based LEDs on convex lens-shaped GaN arrays toward multiwavelength light emitters2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsuda, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 16 号: 1 ページ: 015511-015511

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acb2af

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiwavelength-emitting InGaN quantum wells on convex-lens-shaped GaN microstructures2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsuda, S. Funato, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 15 号: 10 ページ: 105503-105503

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac934e

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 全可視光色をカバーする広帯域発光InGaN系マイクロレンズ構造2024

    • 著者名/発表者名
      松田 祥伸, 高濱 章年,船戸 充,川上 養一
    • 学会等名
      第71回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 多面体構造上に作製した多波長発光InGaN LEDのデバイス動作特性2023

    • 著者名/発表者名
      松田 祥伸,船戸 充,川上 養一
    • 学会等名
      第84回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 窒化物半導体を用いた発光シンセサイザーの開発 ―半導体3次元構造からの自在なスペクトル合成を目指して―2023

    • 著者名/発表者名
      松田 祥伸,船戸 充,川上 養一
    • 学会等名
      第391回蛍光体同学会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Chip-scale multi-wavelength InGaN LEDs utilizing patterned micro-topography2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshinobu Matsuda, Mitsuru Funato, Yoichi Kawakami
    • 学会等名
      Lester Eastman Conference on High Performance Devices 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] InGaN LEDs on Tailored Three-Dimensional Structures toward micro-LED Displays2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshinobu Matsuda, Mitsuru Funato, Yoichi Kawakami
    • 学会等名
      International Display Workshop 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flexible spectral control using chip-scale multi-wavelength InGaN LEDs2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshinobu Matsuda, Mitsuru Funato, Yoichi Kawakami
    • 学会等名
      14th International Conference on Nitride Semiconductors
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 発光スペクトルの電気制御を目指したInGaN系多波長発光構造の設計と作製2023

    • 著者名/発表者名
      松田祥伸, 宮脇啓嘉, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] {11-22}面GaN基板上InGaN系マイクロレンズ構造における異方的な発光波長分布2023

    • 著者名/発表者名
      松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 半極性面上InGaN系マイクロレンズ構造の広帯域発光に向けた作製条件の検討2023

    • 著者名/発表者名
      福重翔吾, 松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 自在な発光波長集積を目指したInGaN系多面体構造における局所的オフ角制御2023

    • 著者名/発表者名
      梅本隆之介, 松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Multiwavelength emission from InGaN quantum wells on GaN microlens structures2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsuda, S. Funato, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      The 20th Intern. Conf. on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] InGaN-based LEDs on GaN microlens arrays for multi-wavelength emission2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsuda, S. Funato, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      Intern. Workshop on Nitride Semiconductors
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Anisotropic emission wavelength distribution of InGaN quantum wells on GaN microlens structures formed on semipolar (-1-12-2) plane2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsuda, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      The 10th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] サーマルリフロー法を用いたInGaN系多波長発光構造の作製とLEDデバイス動作2022

    • 著者名/発表者名
      松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      電子情報通信学会研究報告
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 自在な構造制御による多波長発光を目指したGaNマイクロレンズ構造上InGaN LED2022

    • 著者名/発表者名
      松田祥伸, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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