| 研究領域 | 特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス |
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| 研究課題/領域番号 |
16H06416
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| 研究機関 | 名城大学 |
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研究代表者 |
上山 智 名城大学, 理工学部, 教授 (10340291)
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| 研究分担者 |
竹内 哲也 名城大学, 理工学部, 教授 (10583817)
岩谷 素顕 名城大学, 理工学部, 准教授 (40367735)
本田 善央 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60362274)
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| 研究期間 (年度) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| キーワード | ナノワイヤ / 量子構造 / LED / 半導体レーザ / 結晶成長 / GaN |
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| 研究実績の概要 |
窒化物半導体によるGaNナノワイヤの成長メカニズム解明に取り組むとともに、ナノワイヤ上にGaInN/GaN量子殻活性層、p型層の形成に関する基礎検討、新規な構造評価手法の検討、さらに基礎デバイスの作製による動作実証を行った。また上記ナノ構造の半導体レーザ応用上の特長を明らかにするため、理論解析に着手した。以下、研究項目ごとの研究実績概要を示す。
（１）GaNナノワイヤ・量子殻活性層成長機構の解明とデバイス応用
GaNナノワイヤの安定的な成長、10以上の高アスペクト比、先端形状の成長条件による制御が可能となった。またGaNナノワイヤのr面を縮小することで、その上に成長するGaInN/GaN量子殻活性層の縦方向の組成および膜厚の均一性が、向上することがわかった。上記検討を基に、デバイス動作のための基礎技術確立に取り組んだ。まずGaInN/GaN量子殻活性層をp-GaN層で埋め込み、平坦化できることを実証した。さらにこのエピ構造を用いて、電流注入によるナノワイヤLEDの動作を確認した。またナノ構造を有する半導体レーザの理論解析を実施し、ナノ構造を活性層とする半導体レーザの三次元モード解析を実施し、同一の活性層体積において、光閉じ込め係数が従来の量子井戸活性層の場合の3倍～5倍に高められること、さらに横モードは位相の揃ったフェーズロッキングで安定することがわかった。
（２）ナノ構造評価技術の確立
GaInN/GaN量子殻構造の構造解析のため、SPring-8のマイクロ・ナノビームラインを用いた構造解析を試み、単一のGaInN/GaN量子殻構造からX線回折信号を初めて得ることに成功した。またナノ構造におけるエピ層評価を目的に、アトムプローブ測定を行い、GaInN量子殻の組成が同定できること、また高濃度不純物の濃度が検出できることがわかった。今後、強力な評価ツールとして活用する。
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| 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
当初計画からは多少の変更があり、3波長レーザによる成長モニターなどを中止し、GaNナノワイヤーおよびGaInN系量子殻構造の作製と評価および、その成長機構解明を中心とした研究内容にフォーカスすることとしたが、初年度の取り組みとしては満足できる結果を得ることができた。その理由として、上記のナノ構造のアスペクト比や先端形状などの形状制御が可能となったこと、発光デバイスに用いたときの利点を明確にできたこと、またそのための課題が明確になったことが挙げられる。さらにこれらの成果から数件の学会発表等の研究業績に帰結している。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後も、窒化物系ナノワイヤ、量子殻を半導体特異構造の中心に考えて、その優れた光学特性、高性能発光デバイスへの応用可能性、およびその評価技術確立による成長機構を明らかにしていく。またそれ以外の半導体特異構造として、不純物準位による発光、さらに白色光の自在なスペクトル制御が可能なポーラス・バルクSiCに関する研究も追加する。以下に方策の項目ごとに説明する。
（１）量子殻活性層を持つデバイス実現のためのエピ成長技術の確立
高アスペクト比の量子殻活性層を有効に利用したデバイスを実現するためには、均一な電流注入が可能なエピ構造が必須となる。トンネル接合と低抵抗なN型層で埋め込まれた構造を実現することが唯一の方策と考えられる。しかも広く可視光域をカバーできる比較的InNモル分率の高い活性層を想定すると、低温での埋め込み成長も必要とされる。これらを実現する方策として、パルスモードMOVPE法、低温で低下するアンモニアやMg原料の分解効率を補うアンモニアのプリクラッキング機構、Cp2Mgモニタリングの導入などを予定している。LEDにおいては緑色、黄色、赤色などのフルカラー化の可能性を持っているが、エピ表面が平坦ではないLEDの場合、電極部形成のためのドライエッチング工程が確立されていない。これを確立して高成長な長波長LEDの実証を目指す。方策として、SiO2マスクの厚膜化やエッチングストップ層の挿入を想定している。
（２）ポーラス・バルクSiCの不純物発光制御
ポーラス・バルクSiCに高濃度不純物を添加すること、両者の膜厚比を制御することにより、高い発光効率と自在な白色スペクトルの実証を目指す。方策として、これまで課題だったBの高濃度均一ドーピングを可能とする新しい個体化合物原料の導入、成長空間とドーピング化合物分解空間を別に設けた成長炉の炉材構造の最適化を行う。
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