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2017 年度 実績報告書

高品位三原色光源実現に向けた青・緑色面発光レーザ

研究課題

研究課題/領域番号 17H01055
研究機関名城大学

研究代表者

竹内 哲也  名城大学, 理工学部, 教授 (10583817)

研究分担者 田中 崇之  名城大学, 理工学部, 准教授 (10367120)
宮嶋 孝夫  名城大学, 理工学部, 教授 (50734836)
井手 利英  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90397092)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード窒化ガリウム / 面発光レーザ / トンネル接合 / 電流狭窄 / 光閉じ込め / 多層膜反射鏡
研究実績の概要

本研究では、GaN面発光レーザの「高効率・高出力化」、「長波長化」、「高速変調」を目指して進めている。以下に平成29年度の実績を報告する。
高出力化として、波長410nmのGaN面発光レーザにおいて、層構造などの最適化により下部4.2mW、上部1.0mWの計5.2mWの出力を実現した。次年度目標の6mWに近い値を前倒しで実現したことになる。一方、外部微分量子効率は13%のままである。高効率化に向けては横方向閉じ込めとトンネル接合の適用を進めたが、現時点で効率改善にまでは至っていない。一方で、光吸収の少ないGaNトンネル接合が実現した。
長波長化に向けて、既存のAlInN/GaNを厚膜化することで、反射中心波長を570nmまで長波長化させたDBRを作製した。その結果、520nmまでは、屈折率から予想される理論反射率に近い測定値が得られたが、570nmでは、比較的大きな反射率の低下が確認された。XAFS法により、AlInNにおけるIn、Al原子ともにウルツ鉱構造における理想的なIII族原子位置を占有していることが明らかになった。活性層の長波長化として、2nm AlGaNキャップ層と高温GaNバリア層の導入により、600nmまでのPL発光と、575nmまでのEL発光を得た。そのEL強度は、青色の場合の1/6程度であった。格子不整合の程度を成長中に測定可能な、その場基板反りモニタを導入し、現在、調整中である。
高速変調に関して、測定のためのパルス光特性評価システムを構築した。主に波長450nmのGaN青色レーザを用いて性能確認した結果、パルス発生器評価系で約500MHz、ネットワークアナライザ系で約1GHzまで評価可能であった。

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

高効率・高出力化では、効率は改善されなかったものの、出力は改善され、ほぼ次年度目標を達成しつつある。長波長化もDBRおよび発光波長において500nmを超えるものが形成可能になっている。高速変調に関しては、システムの検証が進んだが素子形成は遅れている。以上、大きく進展した項目と、あまり進展していない項目がそれぞれ存在することから、平均的におおむね順調に進展している、と判断した。

今後の研究の推進方策

平成30年度は以下の計画に沿って進める予定である。
高効率化に対して、段差のない光閉じ込め構造、および段差の少ない埋め込みトンネル接合を試みる。いずれも段差があることによって、性能が制限されている、あるいは構造形成が困難になっている現状を考慮した判断である。高出力化に関しては、これまで行っていなかった、光閉じ込めと大口径化の同時導入により、従来の大口径化による発振停止を抑制することで高出力化を実現する目論見である。さらに活性層構造の最適化や、導電性DBRの導入を進め、より赤外面発光レーザに近い理想の構造を我々の標準構造として確立していく。
長波長化に関して、前年度実現した構造を用いて、520nm緑色面発光レーザを形成、実現、もしくは課題を明らかにする。同時に、新しい長波長用DBR構造に向けた要素構造確立も開始していく。一方で、AlInN単膜やヘテロ構造の構造評価(XAFS、TEM)を引き続き進めることで、現状の結晶品質把握し、さらにその結晶品質を向上することで、高品質素子形成を確立する。
高速変調に関して、まずは電極形状を高速変調用に変更した素子を試作し、その測定を進め、現状を把握するとともに課題を明らかにする。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 10件、 招待講演 12件) 図書 (1件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] GaInN 量子井戸を用いた黄緑色発光ダイオードの作製2018

    • 著者名/発表者名
      吉永純也、市川竜弥、竹内哲也、岩谷素顕、上山智、赤崎勇
    • 雑誌名

      名城大学総合研究所紀要

      巻: 23 ページ: 41-44

  • [雑誌論文] A GaN-Based VCSEL with a Convex Structure for Optical Guiding2018

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Natsumi、Ogimoto Junichiro、Matsui Kenjo、Furuta Takashi、Akagi Takanobu、Iwayama Sho、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Iwaya Motoaki、Akasaki Isamu
    • 雑誌名

      physica status solidi (a)

      巻: - ページ: 1700648~1700648

    • DOI

      10.1002/pssa.201700648

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] n型導電性AlInN/GaN多層膜反射鏡を有するGaN系面発光レーザーの室温連続動作2017

    • 著者名/発表者名
      竹内哲也
    • 雑誌名

      光学

      巻: 46 ページ: -

  • [学会発表] GaInN VCSELswith semiconductor-based DBRs2018

    • 著者名/発表者名
      T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya, and I. Akasaki
    • 学会等名
      SPIE photonics Europe
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GaN系長波長面発光レーザへ向けたAlInN/GaN多層膜反射鏡2018

    • 著者名/発表者名
      平岩 恵,荻本 純一郎,赤塚 泰斗,村永 亘,赤木 孝信,竹内 哲也,上山 智,岩谷 素顕,赤﨑 勇
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] MOVPE-grown GaN-based tunnel junction and its application2018

    • 著者名/発表者名
      T. Takeuchi, M. Iwaya, S. Kamiyama, and I. Akasaki
    • 学会等名
      Photonics West OPTO
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GaInN系面発光レーザーの開発と展望2018

    • 著者名/発表者名
      竹内哲也、上山 智、岩谷素顕、赤﨑 勇
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第38回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 半導体多層膜反射鏡を有するGaN系面発光レーザの高効率・高出力化2018

    • 著者名/発表者名
      竹内哲也、上山 智、岩谷素顕、赤﨑 勇
    • 学会等名
      第3回パワー光源及び応用システム調査専門委員会
    • 招待講演
  • [学会発表] GaNトンネル接合の低抵抗化に向けた不純物プロファイルの最適化2018

    • 著者名/発表者名
      赤塚 泰斗、不破 綾太、岩山 章、竹内 哲也、岩谷 素顕、上山 智、赤﨑 勇
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Low-temperature-grown p-side structure with tunnel junction towards long wavelength nitride-based LED2017

    • 著者名/発表者名
      J. Yoshinaga, K. Suzuki, D. Takasuka, N. Koide,
    • 学会等名
      The 5th International Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] トンネル接合を用いた低温成長 p 側構造黄色 LED の作製2017

    • 著者名/発表者名
      吉永純也,市川達弥,鈴木健太,小出典克,竹内哲也,岩谷素顕,上山智,赤﨑勇
    • 学会等名
      第78回応用物理学会 秋季学術講演会
  • [学会発表] GaN-based VCSELs towards high efficiency2017

    • 著者名/発表者名
      T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya, and I. Akasaki
    • 学会等名
      OPIC 2017 LDC’17
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 名城大学におけるGaInN系面発光レーザの現状とその展望2017

    • 著者名/発表者名
      竹内哲也、上山 智、岩谷素顕、赤﨑 勇
    • 学会等名
      光電相互変換第125委員会 第236回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 高効率窒化物半導体発光素子に向けた新展開2017

    • 著者名/発表者名
      竹内哲也、上山 智、岩谷素顕、赤﨑 勇
    • 学会等名
      ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第162委員会 第104回合同研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] GaInN VCSELs with AlInN/GaN DBRs2017

    • 著者名/発表者名
      T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya, and I. Akasaki
    • 学会等名
      ICNS’ 12th International Conference on Nitride Semiconductors
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 窒化物半導体における新しい導電性制御: トンネル接合と分極ドーピング2017

    • 著者名/発表者名
      竹内哲也、岩谷素顕、上山 智、赤﨑 勇
    • 学会等名
      第36回電子材料シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Alternative hole injections in nitride-based light-emitting devices2017

    • 著者名/発表者名
      T. Takeuchi, M. Iwaya, S. Kamiyama, and I. Akasaki
    • 学会等名
      2017 MRS Fall Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-performanceGaN-based VCSELs2017

    • 著者名/発表者名
      T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya, and I. Akasaki
    • 学会等名
      2017 IEEE Photonics Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GaN/GaN tunnel junctions grown by MOVPE2017

    • 著者名/発表者名
      R.Fuwa, D. Takasuka, Y. Akatsuka, T. Takeuchi, M. Iwaya, S. Kamiyama, and I. Akasaki
    • 学会等名
      LEDIA`17
    • 国際学会
  • [学会発表] MOVPE法による低抵抗GaNトンネル接合2017

    • 著者名/発表者名
      不破綾太、赤塚泰人、竹内哲也、岩谷素顕、上山智、赤崎勇
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Low resistive GaN tunnel junctions grown by MOVPE2017

    • 著者名/発表者名
      R.Fuwa, Y. Akatsuka, T. Takeuchi, M. Iwaya, S. Kamiyama, and I. Akasaki
    • 学会等名
      2017 MRS Fall Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] GaN-based VCSELs with lateral optical confinement structures2017

    • 著者名/発表者名
      N. Hayashi, K. Matsui, T. Takeuchi, S. Kamiyama, M. Iwaya, I. Akasaki
    • 学会等名
      ICNS-12
    • 国際学会
  • [学会発表] (優秀論文賞受賞記念講演) Room-temperature continuous-wave operation of GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers with n-type conducting AlInN/GaN distributed Bragg reflectors2017

    • 著者名/発表者名
      池山 和希、小塚 祐吾、松井 健城、吉田 翔太朗、赤木 孝信、赤塚 泰斗、小出 典克、竹内 哲也、上山 智、岩谷 素顕、赤﨑 勇
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 面発光レーザへの応用に向けた窒化物半導体埋め込みトンネル接合2017

    • 著者名/発表者名
      赤塚 泰斗、不破 綾太、岩山 章、竹内 哲也、岩谷 素顕、上山 智、赤﨑 勇
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [図書] III-Nitride Tunnel Junctions and Their Applications2017

    • 著者名/発表者名
      S. Rajan, T. Takeuchi
    • 総ページ数
      209-238
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      978-981-10-3754-2
  • [産業財産権] 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子2017

    • 発明者名
      竹内哲也、岩谷基顕、赤塚泰斗、岩山章、赤﨑勇
    • 権利者名
      名城大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2017-217351
  • [産業財産権] 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 番号:特願2017-2173482017

    • 発明者名
      竹内哲也、岩谷基顕、不破綾太、岩山章、赤﨑勇
    • 権利者名
      名城大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2017-217348
  • [産業財産権] 窒化物半導体光素子2017

    • 発明者名
      竹内哲也、岩谷基顕、上山智、赤﨑勇
    • 権利者名
      名城大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2017-239235

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公開日: 2018-12-17  

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