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

2020 年度 実績報告書

• 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) [辞退]
• 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．
AlGaN系発光素子では，深い準位の要因となるAl空孔が形成されやすい．それを回避する最も極端な構造として発光層からAlを排した1分子層GaN/AlN量子井戸構造があり，一昨年度までにその作製方法を確立した．一方，微傾斜基板上AlN表面には10 nm程度の分子ステップが現れ，そこに作製したAlGaN量子井戸構造では非輻射再結合が抑制されることも本研究により明らかとなっている．これらを組み合わせて，微傾斜基板上に1分子層GaN/AlN量子井戸を作製したところ，弱励起下で内部量子効率が改善し，同程度の波長で発光する従来のAlGaN量子井戸と比べたとき，非輻射再結合確率が一桁程度抑制できることがわかった．
基板の微傾斜について，どのような角度および方位が望ましいのか系統的に調べた．具体的には，1度あるいは3度の傾斜を，AlNのa軸からm軸方位まで10度刻みで形成し，その上にAlGaN量子井戸を作製した．分子ステップの形態と密度により，少なくとも本研究の作製条件では，a軸から10度回転した方位に3度傾斜させることが発光強度の観点から望ましいことがわかった．
一方，AlNバルク結晶の新しい結晶成長法として，Alと窒素ガスによる成長を検討している．その波及効果として，有機金属気相成長法によって作製したp型AlGaN上に，Al，窒素，プロパンを供給すると，表面に1 nm程度のAlC系化合物が形成され，それが正孔注入層として機能することをすでに実証している．本年度は，バンドラインナップを光電子分光法で検討し，AlC系化合物自体がp型伝導を担っていることを確認した．

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Institute of High Pressure Physics(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: Institute of High Pressure Physics
• [雑誌論文] Influence of substrate misorientation on the emission and waveguiding properties of a blue (In,Al,Ga)N laser-like structure studied by synchrotron radiation microbeam X-ray diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Kafar A., Sakaki A., Ishii R., Stanczyk S., Gibasiewicz K., Matsuda Y., Schiavon D., Grzanka S., Suski T., Perlin P., Funato M., Kawakami Y.
  • 雑誌名: Photonics Research 巻: 9 ページ: 299～299
  • DOI: 10.1364/PRJ.411701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced nonradiative recombination in AlxGa1-xN-based quantum wells thinner than the critical layer thickness determined by X-ray diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Ichikawa Shuhei, Funato Mitsuru, Kawakami Yoichi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 031007～031007
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abe658
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice relaxation in semipolar AlxGa1-xN grown on (1-102) AlN substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Akaike Ryota, Ichikawa Shuhei, Funato Mitsuru, Kawakami Yoichi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 061008～061008
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab9183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Above 25 nm emission wavelength shift in blue-violet InGaN quantum wells induced by GaN substrate misorientation profiling: towards broad-band superluminescent diodes (2020)
  • 著者名/発表者名: Kafar A., Ishii R., Gibasiewicz K., Matsuda Y., Stanczyk S., Schiavon D., Grzanka S., Tano M., Sakaki A., Suski T., Perlin P., Funato M., Kawakami Y.
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 28 ページ: 22524～22524
  • DOI: 10.1364/OE.394580
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deposition of carbon-containing hole injection layers on p-type Al0.8Ga0.2N grown by metalorganic vapor phase epitaxy (2020)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto Katsuhiro, Funato Mitsuru, Kawakami Yoichi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 062101～062101
  • DOI: 10.1063/5.0017703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Radiative recombination efficiency of AlGaN quantum wells: do we estimate it accurately in a proper way? (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Kawakami, Mitsuru Funato, Ryota Ishii
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 53 ページ: 503001～503001
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aba64c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Ultrathin GaN/AlN quantum wells for deep UV emitters (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Funato, and Y. Kawakami
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First demonstration and characterization of semipolar deep ultraviolet LEDs on r-AlN (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Akaike, M. Funato, and Y. Kawakami
  • 学会等名: 39th Electronic Materials Symposium
• [備考] 深紫外発光AlGaN/AlN量子井戸構造の作製
  • URL: http://www.optomater.kuee.kyoto-u.ac.jp/research_2.html