2019 Fiscal Year Annual Research Report
近接場分光（SNOM）による特異構造の発光機構解明と制御
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06426
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
川上 養一 京都大学, 工学研究科, 教授 (30214604)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船戸 充 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)
石井 良太 京都大学, 工学研究科, 助教 (60737047)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 近接場分光 / 窒化物半導体 / 発光機構解明 / 発光制御 / 特異構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，InリッチInGaNおよびAlリッチAlGaNの特異構造における輻射（発光）および非輻射（非発光）再結合機構を時間・空間分解分光によって解明し，広いスペクトル領域において高い発光の内部量子効率を実現（究極の100%内部量子効率を目指して）するための知見を得ることを主要な目的としている．
前者の構造について，今年度は，緑色発光AlコーティングInGaN / GaN量子井戸（QW）の表面プラズモン（SP）共鳴によるフォトルミネッセンス（PL）の増強機構を解明するために，マイクロPLマッピングによる評価を行っい，正の相関が，ブルーシフトのあるピーク波長が比較的短い領域で観察された． この結果は，SP共鳴の増強された電場によって，量子閉じ込めシュタルク効果（QCSE）がスクリーニングされたことを示唆しており，緑色域LEDの高効率化のために重要な知見を与える成果である．
後者の構造については，微傾斜サファイア基板上にエピタキシャル成長したAlN（0001）上に形成したマクロステップを利用した新しい特異構造について評価を行った． マクロステップ上に形成したAlGaN-QW（MS-QW）は，室温（RT）で242 nmの発光波長で，約2 nsのフPL寿命を観測した． これは、270 nm未満で発光するAlGaNベースのQWについてこれまでに報告された最長の寿命であり，RTでの支配的な再結合プロセスである非放射再結合の抑制を示している．さらに，有機金属気相エピタキシー（MOVPE）成長において，極薄GaN/Al-QWにおいて単一分子層の制御が自己形成されることを見出し，この構造からの高効率深紫外発光を観測した．これら特異構造は，高効率の紫外線エミッターとして有望な構造である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マイクロPLマッピングによる緑色発光AlコーティングInGaN / GaN量子井戸（QW）の表面プラズモン（SP）共鳴機構に関する研究は，Applied Physics Express誌に報告した．
マクロステップ上に形成されたAlリッチAlGaN-QWの深紫外発光の高効率化に関する研究と極薄GaN/Al-QWの成長機構と光物性に関する成果は，それぞれAdvanced Optical Materials誌に報告した．さらに，後者の成果は，神戸で開催された7th Intern. Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructuresにて招待講演を行った．
昨年度の成果として，励起光源として210nmのCWレーザ光源を用いた近接場光学顕微鏡（SNOM）の開発に成功したが，今年度はこの成果が，APL Photonicsに掲載され，同紙における注目論文Featuredに選ばれるとともに，American Institute of Physics (AIP)出版社全体の注目記事Scilightにも採択された．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，時間・空間分解PL分光によってInリッチInGaNおよびAlリッチAlGaNの特異構造の光物性解明に取り組む．前者については，ScAlMgO4基板上に作製した赤色発光InGaN-QWのSNOMマッピングに着手し，InリッチInGaNにおける局在発光中心や非発光中心の可視化に取り組む．後者については，深紫外SNOMの室温測定系が構築できたので，マクロステップ上に形成されたAlリッチAlGaN-QWや極薄GaN/Al-QWなど，様々な特異構造のPLマッピングを行い，発光・非発光機構の解明に取り組む．
発光の内部量子効率の評価手法の確立やその物理的解釈は，光物性を議論する際に最も重要な事項である．このような統一的なテーマについて，学会やグループ間討論会を開催し，基礎光物性への貢献に資するよう取り組む．
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[Journal Article] Direct detection of rare earth ion distributions in gallium nitride and its influence on growth morphology2020
Author(s)
B. Mitchell, D. Timmerman, W. Zhu, J. Y. Lin, H. X. Jiang, J. Poplawsky, R. Ishii, Y. Kawakami, V. Dierolf, J. Tatebayashi, S. Ichikawa, and Y. Fujiwara
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Journal Title
Journal of Applied Physics
Volume: 127
Pages: 013102/1-9
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Achromatic Deep Ultraviolet Lens Using Novel Optical Materials2020
Author(s)
Y. Minami, M. Cadatal-Raduban, K. Kuroda, K. Shinohara, Y. Lai, K. Yamanoi, N. Sarukura, T. Shimizu, R. Ishii, Y. Kawakami, N. Kabasawa, T. Amano, K. Kiyohara, and M. Kiyohara
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Journal Title
physica status solidi (b)
Volume: in press
Pages: in press
DOI
Peer Reviewed
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