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2015 Fiscal Year Annual Research Report

バイオテンプレート極限加工による3次元量子ナノ構造の作製と光学デバイスへの応用

Research Project

Project/Area Number 13J08639
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

田村 洋典  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
KeywordsGaAs / 光学特性 / エレクトロルミネッセンス / LED
Outline of Annual Research Achievements

3次元GaAs量子ナノ構造はGaAs/AlGaAs積層構造をドライエッチングすることにより作製する。その後、有機金属気相成長法により再成長を行う。最後に、電極を形成し3次元GaAs量子ナノディスク発光ダイオードを作製する。従来は、積層構造作製時のAlGaAsと同じAl濃度のAlGaAsキャップ層で再成長を行っていたが、この対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオード(LED)は100K付近において電流注入による発光が消失した。
そこで、積層構造作製時のAlGaAsよりも高いAl濃度のAlGaAsを用いてキャップ層の再成長を行った。埋め込み再成長のAlGaAsのAl濃度を上げることで、GaAs量子ナノ構造の周りの障壁高さは平面方向よりも垂直方向の方が高くなる。この非対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオードでは、室温においても電流注入による発光を確認することができた。
実際に作製した次元GaAs量子ナノ構造の障壁高さをシミュレーションにより計算した。その結果、対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造では平面方向及び垂直方向ともに同じバリア高さであるという結果が得られた。一方で、非対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造の場合では、Al濃度の低いバリアから電流が注入され量子ナノ構造にて再結合をすることがわかった。さらに、高濃度AlのAlGaAsバリアで囲まれているため、バリアと量子ナノ構造のエネルギー準位の差が開いている。そのため、深い閉じ込めによってキャリアがバリアに抜けてにくく、その結果室温まで動作することがわかった。
以上のように、本年度はAl濃度の高いAlGaAsバリア層で埋め込み再成長を行うことで、室温で発光する3次元GaAs量子ナノ構造LEDの作製に成功した。また、このメカニズムを解明した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (6 results)

All 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Temperature-Dependent Operation of GaAs Quantum Nanodisk LEDs with Asymmetric AlGaAs Barriers2016

    • Author(s)
      Y. Tamura, A. Higo, T. Kiba, C. Thomas, J. Takayama, I.Yamashita, A. Murayama, S. Samukawa
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Nanotechnology

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1109/TNANO.2016.2550481

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] AlN Nanowall Structures Grown on Si (111) Substrate by Molecular Beam Epitaxy2015

    • Author(s)
      Y. Tamura and K. Hane
    • Journal Title

      Nanoscale Research Letters

      Volume: 10 Pages: 460

    • DOI

      10.1186/s11671-015-1178-7

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Bio-nano-templateと中性粒子ビームエッチングを用いたInGaAs/GaAs量子ナノディスクLEDの設計と試作2015

    • Author(s)
      肥後昭男、木場隆之、トーマス セドリック、田村洋典、高山純一、山下一郎、王雲鵬、ハサネット ソダーバンル、杉山正和、中野義昭、村山明宏、寒川誠二
    • Organizer
      第32回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟)
    • Year and Date
      2015-10-27 – 2015-10-30
  • [Presentation] Low-damage etching process for the fabrication of GaAs based light emitting devices2015

    • Author(s)
      C. Thomas, A. Higo, T. Kiba, Y. Tamura, N. Okamoto, I. Yamashita, A. Murayama, S. Samukawa
    • Organizer
      American Vacuum Society 62nd International symposium and exhibition
    • Place of Presentation
      サンノゼ(アメリカ)
    • Year and Date
      2015-10-18 – 2015-10-23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of InGaAs quantum nanodisk light-emitting diodes by fusion top-down process of bio-template and neutral beam etching2015

    • Author(s)
      A. Higo, C. Thomas, T. Kiba, J. Takyama, C.Y. Lee, Y. Tamura, I. Yamashita, M. Sugiyama, Y. Nakano, A. Murayama, S. Samukawa
    • Organizer
      The 2015 European Materials Research Society Fall meeting
    • Place of Presentation
      ワルシャワ(ポーランド)
    • Year and Date
      2015-09-15 – 2015-09-18
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Low Damage Neutral Beam AlGaN/GaN etching for Recess Gate Fabrication2015

    • Author(s)
      A. Higo, C.Y. Lee, J. Ohta, C. Thomas, Y. Tamura, H. Fujioka, and S. Samukawa
    • Organizer
      11th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics
    • Place of Presentation
      高山(日本)
    • Year and Date
      2015-08-23 – 2015-08-26
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-12-27  

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