| 研究課題/領域番号 |
24000013
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| 研究種目 |
特別推進研究
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| 研究機関 | 上智大学 |
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研究代表者 |
岸野 克巳 上智大学, 理工学部, 教授 (90134824)
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| 研究分担者 |
大槻 東巳 上智大学, 理工学部, 教授 (50201976)
関口 寛人 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00580599)
光野 徹也 静岡大学, 電子工学研究所, 助教 (20612089)
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| 研究期間 (年度) |
2012-05-29 – 2017-03-31
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| キーワード | マイクロ・ナノデバイス / 光物性 / 半導体超微細化 / 量子ドット / 超格子 |
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| 研究概要 |
GaNテンプレート上に規則配列GaNナノコラムを成長させ、コラム径100-300nmの範囲で高精度・均一規則配列化に成功した。新規導入の電子ﾋﾞｰﾑ描画装置(EBL)によって微細ナノホールパターンを形成し、均一性は不十分であるが、コラム径78nmのGaNナノコラムの規則配列化に成功した。規則配列ナノコラム系では、周期性が高いと二次元分布帰還レーザ発振が起こり、コラム配列の揺らぎの増加とともに光のアンダーソン局在が顕在化し、ランダムレージング効果が顕著になる。これらの境界領域がどのような条件で決まっているか、光伝搬シミュレーションと光励起誘導放出実験で探究した。赤色域(波長600nm～633nm)の規則配列ナノコラムを成長した。波長600nmのPL積分強度は、緑色域平坦膜多重量子井戸結晶の3倍と高く、発光スペクトル半値幅は～45nmと狭く、ナノコラムの優れた発光特性が示唆された。
コラム周期(350～450nm)に対してコラム径を100～300nmで変化させ、規則配列ナノコラムを同一基板上に作製し、PL発光波長を調べたところ、どのコラム周期でもコラム径による発光色変化が確認された。コラム径の異なる規則配列ナノコラムLEDを同一基板上に作製したところ、緑色と赤色のLED発光が観測され、異なる発光色のナノコラムLEDの一体集積化を実証した。
ナノコラム関連ナノ結晶およびInGaN量子ドット効果の探索も進め、GaNマイクロプレート光応答特性を探究し、量子ドット母体材料とすべくInGaN/GaN短周期超格子ナノコラム結晶を成長させた。
GaNテンプレート上で検討を進めているが、応用上では大面積Si基板上ナノコラムが重要な課題となる。そこでSi基板上ナノコラム選択成長法を検討し、AlN薄膜(50nm)が結晶核形成層として機能することを確認し、GaNナノコラムの規則配列化に成功した。
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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
規則配列GaNナノコラム超細線化は、最終段階でコラム径10-50nm域まで挑戦する。コラム細線化は初年度の計画以上に進み、従来未開拓であったコラム径100nm以下の領域(78nm)まで到達した。まだナノコラム形成が不均一であるが、平成25年度の研究目標が明確となった。コラム径100-300nmでは、高精度に制御された均一ナノコラム規則配列化が、計画通り達成された。
ナノ結晶効果の解明では、コラム径依存性の探究は先送りになったが、初年度は集団ナノコラム光応答に精力を集中させた。規則配列ナノコラムの規則性と揺らぎと光伝搬特性の関係の理解が進み、ナノコラムレーザの構造設計のための基礎資料が得られた。
赤色域の規則配列ナノコラムの検討も順調に進展し、赤色域 (波長600nm～633nm) フォトルミネッセンス(PL)発光を実現し、緑色域平坦膜多重量子井戸結晶に比べて、高強度でスペクトル半値幅の狭い発光を得て、PL内部量子効率も絶対値の確かさでは今後の検討が必要であるが、17～22％の高い値が得られた。
ナノコラムの発光色制御性も、コラム周期を変えながらこれまでよりも広いコラム構造パラメータ域で再確認された。三原色(RGB)集積型ナノコラムLEDの実現が、大きな研究目的のひとつであるが、すでに緑色と橙色ナノコラムLEDの一体集積化を実証した。顕微鏡下でみると、発光強度分布にむらが見え、LEDプロセス改善が求められるが、研究はスムーズに滑り出したといえる。
ナノコラム関連ナノ結晶の探索では、六角形GaNマイクロディスクの光応答特性、レーザ特性の理解が進み、想定外の展開が起こりつつある。大面積Si基板上でのナノコラムLED/LD基盤技術の確立が重要な研究目的である。交付申請書では予定してなかったが、Si基板上ナノコラム選択成長法を検討し、規則配列GaNナノコラムの基礎実験に成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
ナノコラム超細線化の基礎技術を構築すべく、平成24年度導入の電子ビーム描画装置の限界性能を駆使して、ホール周期(40-200nm)、ホール径(10-100nm)で高い充填率のレジストパターン描画を行う。平成25年度に新たにICPドライエッチング装置の整備を計画しつつ、現有ドライエッチング装置の限界性能を発揮させ、微細選択成長用Tiマスクを形成し、コラム径(70-300nm)のナノコラム細線化と規則配列均一化を進める。Tiマスクホール径による微細コラム径制御が課題で、ナノコラム横方向成長を抑制するため、コラム充填率を高め成長条件の最適化を進める。ナノテンプレートを用いた新たな選択成長法の開拓を進めて、AlGaN系ナノコラム成長に備える。
ナノコラム細線化がナノ結晶効果を促進させると考えている。コラム径(70-300nm)のナノコラムにInGaN/GaN単一量子井戸を内在化させ、フォトルミネッセンス、断面透過型顕微鏡観測で評価する。In組成揺らぎ、量子ドット効果、貫通転位密度のコラム径依存性を調べ、ナノ結晶効果を探究する。
ナノ結晶効果の発現は、赤色域ナノコラムの高効率化に寄与しうる。成長条件を工夫して、In取り込み量を高め、細線ナノコラムの赤色域発光を実現させる。内部量子効率のコラム径依存性を探索しつつ、赤色ナノコラムLEDを作製する。
構造パラメータ(コラム径、周期)を変化させ、さまざまな規則配列InGaN系ナノコラムを作り、発光色制御メカニズムの理解を深め、集積型LED設計法を構築して、互いに隣接させながら三原色発光LEDを実現するための突破口を拓く。
キイとなる結晶核形成層を工夫してSi基板上のGaNナノコラム選択成長法の高度化を行う。一方、ナノコラムLEDでは、コラム欠陥、コラム側面を介した電流リークが起こるので、コラム側面パシベーションを行って、これを解決する。
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