遠紫外線C波AlGaN系電子線励起レーザ

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00304
• 研究機関: 名城大学
• 研究代表者: 岩谷 素顕 名城大学, 理工学部, 教授 (40367735)
• 研究分担者: 上山 智 名城大学, 理工学部, 教授 (10340291) ; 竹内 哲也 名城大学, 理工学部, 教授 (10583817)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 窒化アルミニウム / 基板剥離 / ミラー / 高品質結晶 / 窒化アルミニウムガリウム混晶 / 電子線励起

研究実績の概要

本研究課題では、電子線励起による人体に影響がなく且つ殺菌能力の高い深紫外領域のレーザーをAlGaN系材料で実現することを目標としている。その実現には、大きな光学利得を得ることが可能な高品質な結晶と低い光学ロスの実現が不可欠である。初年度である令和4年度はAlGaN結晶の高品質化、基板を剥離する技術、さらには光学ロスを低減するのに必要不可欠な高反射率ミラーの開発を主に検討した。
高品質AlGaNの作製に関してはAlNナノピラーを周期的に形成し、その上に結晶を作製する手法のさらなる改善に取り組んだ。結果として、転位密度が1.5×10^8cm^-2という比較的高品質な結晶を得ることに成功したが、表面平坦性が低いなどの課題が残された。令和5年度はAlN基板を導入してその有用性を検証する予定である。また、その基板剥離技術として加熱した水を用いた手法により高Al組成のAlGaNを1cm角程度というウェハーレベルの剥離が可能であることを実証した。こちらに関してはApplied Physics Expressという学術論文として報告した（Eri Matsubara et al 2022 Appl. Phys. Express 15 116502）。さらにミラー形成に関しては、誘電体多層膜を用いた高反射率ミラーの形成方法を検討した。ただ、波長280nm程度までは比較的吸収が少ない誘電体材料を形成することに成功したが、特に高屈折率材料において吸収が十分に低い材料が得られていないため、令和5年度はこの問題を解決するために共同研究先から本学にECRスパッタリング装置を譲渡してもらい、プロセス開発を進めることによって極めて吸収の少ない材料を開発することによって問題の解決を図る予定である。
初年度としては、目的に向けて実験を進め問題点を抽出することができており当初の予定通りの研究の進捗であると考えられる。

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

本研究課題を実現するためには3つの課題があることを提案時から考えていた。一般にレーザー発振は光学利得と光学ロスがつり合ったときに発振することから、その実現のためには好意品質な結晶を得ること、適切な光学的なミラーを形成すること、さらには光学利得を得るための励起方法を確立することである。励起方法においては過去の科学研究費補助金基盤研究Aで実施した電子線励起装置を用いることによって波長350nmでレーザ発振することができることを実証しており初期段階としては解決していると考えていた。一方、前者2つに関しては課題の抽出が必要であることから初年度はその研究に関して注力して進めた。また、本科研費で導入したオートクレーブを活用することによって基板剥離技術の開発に成功した。結果として、高品質なAlGaN結晶を得ることが可能となったが、さらなる材料開発の必要性が確認されたことから、概要にも記載したように令和5年度は高品質AlNを月に5枚程度活用することによって大きな光学利得が得られる結晶の実現に注力する予定である。また、令和4年度に実現した高品質AlGaN結晶の光学利得に関しても詳細に調査する予定である。一方、ミラーに関しても目的としている波長域で99％を超えるような高反射率ミラーを低温成膜法で実現する課題が残されていたが、その問題点に関して検証した。結果としては本学の有している成膜法では吸収の問題が残されていることが確認されたことから、共同研究先から装置を譲り受けて材料開発のところから検討を進めることにした。以上のように、初年度行う必要があった目的としているデバイスの課題抽出がほぼ完了したこと、また結晶成長に関しては当初は知られていなかった水剥離技術の確立など新たなる進展があったことから上記のような進捗状況であると記載した。

今後の研究の推進方策

研究の概要、現在までの進捗状況にも記載したように、本研究課題は初年度としては適切に課題を抽出し、所望のデバイスを実現するための道筋も立ちつつある。よって2年目はその結果をもとに次なる方策を取っていく予定である。具体的にはバルクAlN基板を活用することによって、大きな光学利得を得る結晶が実現可能かという材料開発を進める。さらに、その光学利得がどの程度の値なのかを実験的に検証するために、光励起法を用いたVSL測定により材料が持つ光学利得がどの程度なのか、またその光学利得からレーザー発振が実現できると考えられる光学ロスの見積もりを行う。これらの検討には令和4年度に導入したCCD検出器を活用する。さらに、昨年度譲渡されたECRスパッタリング装置を活用することによって吸収の少ない材料開発をおこなう。材料としてはハフニウムオキサイドあタンタルオキサイドなどの酸化物材料を購入して検討を進める準備を進めている。また評価方法としてはエリプソメトリを用いて実験を行う予定であり、このあたりの解析手法に関しては実際に実験を行う学生にも取り扱い法を説明して実験を進める準備を行っている。また、ECRスパッタリング装置は低温でも高品質な膜が得られる手法であるが、エネルギーが足りない場合が想定されるので、その場合は高温での熱処理や高温成長などを検証することによって、実現可能なプロセス条件を調査する予定である。さらに、その結果をもとに必要な電子線励起強度を見積もり、電子線の最適な励起条件をシミュレータを用いて解析する手法を適用することを進める予定である。これらの解析を進めることによって、目的のデバイスを実現するための取り組みを行っていく予定である。当初の予定では3年目でのレーザー発振を計画しているが、可能であれば前倒しでの実施を目指して研究を進めていく予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Performance of Ultraviolet‐B Laser Diodes on AlGaN Templates Prepared using Different Fabrication Methods (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Eri、Omori Tomoya、Hasegawa Ryota、Yamada Kazuki、Yabutani Ayumu、Kondo Ryosuke、Nishibayashi Toma、Iwayama Sho、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Miyake Hideto、Iwaya Motoaki
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1002/pssa.202200836
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of ultraviolet-B AlGaN-based laser diode operation with a peak light output power of 150 mW by improving injection efficiency through polarization charge modulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Kondo Ryosuke、Yabutani Ayumu、Omori Tomoya、Yamada Kazuki、Matsubara Eri、Hasegawa Ryota、Nishibayashi Toma、Iwayama Sho、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Miyake Hideto、Iwaya Motoaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 121 ページ: 253501～253501
  • DOI: 10.1063/5.0135033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppression of (0001) plane emission in GaInN/GaN multi-quantum nanowires for efficient micro-LEDs (2022)
  • 著者名/発表者名: Katsuro Sae、Lu Weifang、Ito Kazuma、Nakayama Nanami、Yamamura Shiori、Jinno Yukimi、Inaba Soma、Shima Ayaka、Sone Naoki、Han Dong-Pyo、Huang Kai、Iwaya Motoaki、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi
  • 雑誌名: Nanophotonics 巻: 11 ページ: 4793～4804
  • DOI: 10.1515/nanoph-2022-0388
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-quality n-type conductive Si-doped AlInN/GaN DBRs with hydrogen cleaning (2022)
  • 著者名/発表者名: Shibata Kana、Nagasawa Tsuyoshi、Kobayashi Kenta、Watanabe Ruka、Tanaka Takayuki、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Iwaya Motoaki、Kamei Toshihiro
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 ページ: 112007～112007
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac9bc9
  • 査読あり
• [雑誌論文] A method for exfoliating AlGaN films from sapphire substrates using heated and pressurized water (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Eri、Hasegawa Ryota、Nishibayashi Toma、Yabutani Ayumu、Yamada Ryoya、Imoto Yoshinori、Kondo Ryosuke、Iwayama Sho、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Shojiki Kanako、Kumagai Shinya、Miyake Hideto、Iwaya Motoaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 ページ: 116502～116502
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac97dc
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superlattice-Induced Variations in Morphological and Emission Properties of GaInN/GaN Multiquantum Nanowire-Based Micro-LEDs (2022)
  • 著者名/発表者名: Inaba Soma、Lu Weifang、Ito Kazuma、Katsuro Sae、Nakayama Nanami、Shima Ayaka、Jinno Yukimi、Yamamura Shiori、Sone Naoki、Huang Kai、Iwaya Motoaki、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 ページ: 50343～50353
  • DOI: 10.1021/acsami.2c13648
  • 査読あり
• [学会発表] Progress in UV-B laser diodes fabricated on lattice relaxed AlGaN (2023)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Iwaya, Ryosuke Kondo, Ryota Hasegawa, Ayumu Yabutani, Eri Matsubara, Toma Nishibayashi, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Hideto Miyake
  • 学会等名: SPIE Photonics West Gallium Nitride Materials and Devices XVIII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication of vertical UV light-emitting devices by separation of sapphire substrates (2023)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Iwaya, Toma Nishibayashi, Moe Shimokawa, Ryota Hasegawa, Eri Matsubara, Ryoya Yamada, Yoshinori Imoto, Ryosuke Kondo, Ayumu Yabutani, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Hideto Miyake, Kohei Miyoshi, Koichi Naniwae, Akihiro Yamaguchi
  • 学会等名: SPIE Photonics West Light-Emitting Devices, Materials, and Applications XXVII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of AlGaN-based laser diodes in the UV-A to UV-B regions (2023)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Iwaya, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Hideto Miyake
  • 学会等名: SPIE Photonics West Novel In-Plane Semiconductor Lasers XXII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] AlGaN-Based UV-B Laser Diodes Fabricated on Lattice-Relaxed AlGaN Formed on Sapphire Substrates (2022)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Iwaya, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi , Satoshi Kamiyama, Hideto Miyake
  • 学会等名: The 5th International workshop on ultraviolet materials and devices
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 深紫外LDの最近の進展 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩谷素顕，岩山 章，竹内 哲也, 上山 智, 三宅秀人
  • 学会等名: 光とレーザーの科学技術フェア2022
  • 招待講演
• [学会発表] AlGaN-based UV-B laser diode fabricated on sapphire substrate and its progress (2022)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Iwaya, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Hideto Miyake
  • 学会等名: APWS 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高品質AlGaN結晶の作製とデバイス応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩谷素顕，岩山 章，竹内 哲也, 上山 智, 三宅秀人
  • 学会等名: ワイドギャップ半導体学会 チュートリアル：ワイドギャップ半導体光・電子デバイスの最前線
  • 招待講演
• [学会発表] Increasing the light output power of AlGaN-based ultraviolet-B band laser diodes fabricated on periodic AlN nanopillars (2022)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Iwaya, Sho Iwayama, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Hideto Miyake
  • 学会等名: International workshop on nitride semiconductors 2022
  • 国際学会 / 招待講演