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2016 年度 実績報告書

AlGaN系超高効率紫外発光素子の実現に向けたキャリア再結合過程の解明と制御

研究課題

研究課題/領域番号 16H02332
研究機関京都大学

研究代表者

船戸 充  京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)

研究分担者 川上 養一  京都大学, 工学研究科, 教授 (30214604)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2021-03-31
キーワード電気・電子材料 / 結晶工学 / 紫外光源技術
研究実績の概要

本研究では,ワイドギャップ半導体AlGaNを用いた深紫外(波長:210~300 nm)領域での超高効率な発光を目指し,非輻射再結合過程の解明・抑制と輻射再結合過程の増強を実現することを目標としている.
輻射再結合に関連して,今年度は,(0001)極性面と(1-102)半極性面の結晶成長条件を検討した.前者は,低圧成長が好ましいとされているが,後者は500Torr程度の中圧成長が表面モホロジーの観点から好ましいことがわかった.この成長圧力を上げることの副次的な効果として,次に述べる点欠陥の抑制が得られることが分かった.
非輻射再結合過程の解明に関して,カソードルミネッセンスによるマッピングを実施した.その結果,室温において通常暗点として観察される線欠陥(貫通転位)付近であっても,点欠陥が支配な非輻射再結合過程であることを明らかにした.これは,Al空孔起因の点欠陥が多数形成されており,キャリア再結合過程を律速していることを示唆している.(0001)と(1-102)面の比較では,後者において点欠陥密度が低減することが示唆されており,熱力学解析の結果も踏まえ,成長圧力を上げることによって成長最表面でのAl分圧が上昇するため,Al空孔系の点欠陥が効果的に抑制される,とのモデルを構築した.
さらに,時間分解分光法により,格子不整による線欠陥の導入に関する検討を行い,新たなすべき面を考慮する必要性を実験的に明らかにするとともに,その導入の臨界膜厚を計算するモデルを提案した.

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

AlGaNの結晶成長に関しては,従来用いられている(0001)極性面とわれわれが提唱している(1-102)半極性面のいずれにおいても,原子レベルで平坦な薄膜を得ることに成功した.この主たる要因は,成長圧力の調整であり,極性面では76Torr,半極性面では500Torrとすることがポイントであった.この原子レベルで平坦なAlGaNを用いることにより,良好な構造特性を持つ量子井戸構造の作製も可能となり,さらに,半極性面では,圧力上昇の副次的な効果として,点欠陥の形成が抑制されることが分かった.
非輻射過程に関しては,カソードルミネッセンスマッピングとフォトルミネッセンスの温度依存性から,点欠陥が支配的であることがわかった.また,実験結果の解析を通じて,少なくとも2種類の点欠陥が存在し,それぞれ異なる特性(活性化エネルギーなど)を持つことも明らかとなった.これまでは,貫通転位(線欠陥)の抑制が発光効率の改善に向けて重要であると,AlGaN系を含め多くの材料系で考えられていたが,むしろ点欠陥の抑制が優先的な課題であることを示している.今後の素子開発の指針を与えるものである.
本研究で得られた成果に対して,IWUMD2016 (Beijing, China, July, 2016), IWN 2016 (Orlando, USA, Oct. 2016),SPIE Photonics West 2017 (San Francisco, USA, Jan. 2017),日独西Workshop on Frontier Photonic and Electronic Materials and Devices (Mallorca, Spain, March 2017)から招待を受け,講演を行った.

今後の研究の推進方策

結晶の高品質化は結晶成長条件の検討を継続する.
点欠陥については,物性や起源の解明を目指して光学測定を継続する.加えて,その制御(抑制)に向けて結晶成長中(in-situ)あるいは成長後(ex-situ)プロセスを検討する.n型半導体になりやすいAl(Ga)Nでは,それを補償するためにアクセプタ型の点欠陥が形成されやすいと考えられる.In-situプロセスとしては,成膜条件によって結晶の化学量論比を精密制御し,点欠陥を低減することを目指す.一方,ex-situプロセスとしては,Al蒸気中での熱処理によりAl空孔を低減する方法や,Alイオンを打ち込んで過剰Alを形成し,熱処理によりAl空孔を減らす方法など,いくつかの手法を試みる.
一方,貫通転位(線欠陥)は,点欠陥密度が低減した時にその重要性が増す.その時,低転位のAlNバルク基板結晶が必須となると考えられ,ここでは,新しい,環境負荷の小さなバルク結晶成長技術の開発を目指す.具体的には,Alと窒素ガスを原料とする結晶成長法を検討する.

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 6件、 招待講演 9件)

  • [雑誌論文] Deep ultraviolet polychromatic emission from three-dimensionally structured AlGaN quantum wells2017

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

      Appl. Phys. Exp.

      巻: 10 ページ: 031001/1-4

    • DOI

      10.7567/APEX.10.031001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heteroepitaxy mechanisms of AlN on nitridated c- and a-plane sapphire substrates2017

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

      J. Appl. Phys.

      巻: 121 ページ: 085304/1-7

    • DOI

      10.1063/1.4977108

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Design of Al-rich AlGaN quantum-well structures for efficient UV emitters2017

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

      Proceedings of SPIE Photonics West

      巻: 10104 ページ: 101040I/1-6

    • DOI

      10.1117/12.2254797

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Control of crystal morphologies and interface structures of AlN grown on sapphire by elementary source vapor phase epitaxy2016

    • 著者名/発表者名
      P.-T. Wu, K. Kishimoto, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 雑誌名

      Cryst. Growth  &  Design

      巻: 16 ページ: 6337-6342

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.6b00979

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced radiative recombination probability in AlGaN quantum wires on (0001) vicinal surfaces2016

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

      Proceedings of SPIE Nanoscience + Engineering

      巻: 9363 ページ: 93631T/1-6

    • DOI

      10.1117/12.2237606

    • 査読あり
  • [学会発表] EVPE成長AlN/サファイア界面におけるボイド形成メカニズムの検討2017

    • 著者名/発表者名
      岸元克浩, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜,横浜
    • 年月日
      2017-03-17
  • [学会発表] AlN系三次元構造の形成と紫外多波長発光2017

    • 著者名/発表者名
      片岡研, 千賀岳人, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜,横浜
    • 年月日
      2017-03-15
  • [学会発表] AlリッチAlGaN系量子井戸の発光・非発光過程2017

    • 著者名/発表者名
      川上養一, 市川修平, 船戸充
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜,横浜
    • 年月日
      2017-03-14
    • 招待講演
  • [学会発表] AlN growth by an environmentally friendly method2017

    • 著者名/発表者名
      M. Funato and Y. Kawakami
    • 学会等名
      2017 German-Japanese-Spanish joint workshop
    • 発表場所
      Mallorca, Spain
    • 年月日
      2017-03-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Design of Al-rich AlGaN quantum-well structures for efficient UV emitters2017

    • 著者名/発表者名
      M. Funato and Y. Kawakami
    • 学会等名
      SPIE Photonics West
    • 発表場所
      San Francisco, USA
    • 年月日
      2017-01-31
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] AlリッチAlGaN量子井戸のMOVPE成長と光物性制2016

    • 著者名/発表者名
      川上養一, 市川修平, 船戸充
    • 学会等名
      (社)電子情報技術産業協会, 第12回 量子現象利用デバイス技術分科会
    • 発表場所
      大手センタービル,東京
    • 年月日
      2016-12-21
    • 招待講演
  • [学会発表] 非極性面上に作製したAlGaN量子井戸の発光特性2016

    • 著者名/発表者名
      船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      光とレーザーの科学技術フェア2016
    • 発表場所
      科学技術館,東京
    • 年月日
      2016-11-17
    • 招待講演
  • [学会発表] Radiative and nonradiative recombination processes in AlGaN-based quantum wells2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawakami and M. Funato
    • 学会等名
      Intern. Workshop on Nitride Semiconductors
    • 発表場所
      Orlando, USA
    • 年月日
      2016-10-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimulated emission at 250 nm from optically-pumped semipolar (1-102) AlGaN/AlN quantum wells2016

    • 著者名/発表者名
      S. Ichikawa, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      Intern. Workshop on Nitride Semiconductors
    • 発表場所
      Orlando, USA
    • 年月日
      2016-10-04
    • 国際学会
  • [学会発表] 半極性面AlGaN/AlN量子井戸におけるポテンシャル揺らぎの抑制2016

    • 著者名/発表者名
      市川修平, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ,新潟
    • 年月日
      2016-09-14
  • [学会発表] Enhanced radiative recombination probability in AlGaN quantum wires on (0001) vicinal surfaces2016

    • 著者名/発表者名
      M. Hayakawa, Y. Hayashi, S. Ichikawa, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      SPIE Nanoscience + Engineering
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2016-08-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Unveiling the carrier recombination paths in high Al content AlGaN quantum wells2016

    • 著者名/発表者名
      M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      Intern. Workshop on UV Materials and Devices
    • 発表場所
      Beijing, China
    • 年月日
      2016-07-28
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimulated emission from optically-pumped semipolar AlGaN/AlN quantum well2016

    • 著者名/発表者名
      S. Ichikawa, M. Funato, and Y. Kawakami
    • 学会等名
      35th Electronic Materials Symposium
    • 発表場所
      ラフォーレ琵琶湖,滋賀
    • 年月日
      2016-07-07
  • [学会発表] GaNとAlNの物性定数の同定と(Al,Ga)N系半導体の物性予測2016

    • 著者名/発表者名
      石井良太、船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第8回窒化物半導体結晶成長講演会
    • 発表場所
      京都大学桂キャンパス
    • 年月日
      2016-05-10
    • 招待講演
  • [学会発表] 微小なオフ角に由来するc面AlGaN/AlNヘテロ界面におけるc面すべりの可能性2016

    • 著者名/発表者名
      市川修平, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第8回窒化物半導体結晶成長講演会
    • 発表場所
      京都大学桂キャンパス
    • 年月日
      2016-05-09
  • [学会発表] マクロステップを利用したAlGaN量子細線構造による温度消光の低減2016

    • 著者名/発表者名
      早川峰洋, 林佑樹, 市川修平, 船戸充, 川上養一
    • 学会等名
      第8回窒化物半導体結晶成長講演会
    • 発表場所
      京都大学桂キャンパス
    • 年月日
      2016-05-09
    • 招待講演

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公開日: 2018-01-16  

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