2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of semiconductors intra-center photonics
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18H05212
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤原 康文 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10181421)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
舘林 潤 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40558805)
市川 修平 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 助教 (50803673)
芦田 昌明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60240818)
佐藤 和則 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379097)
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| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
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| Keywords | 希土類元素 / 内殻遷移 / フォトン場制御 / 発光ダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【課題１】光励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題１－１＞ マイクロディスク型Eu添加GaNマイクロ光共振器におけるEu発光機能の評価：実測共振器Q値3,780を達成し、Eu発光増強率9倍を観測した。Eu発光の輻射再結合確率が実測Q値に対してほぼ線形的に増大することを明らかにし、Eu発光増強がPurcell効果に依ることを実証した。＜課題１－２＞Eu添加GaN 2次元フォトニック結晶ナノ光共振器の構造最適化とEu発光機能の評価：L7型構造において、フォトニックバンドギャップ効果と共振器効果を反映したEu発光分布を明確に観測した。Eu発光増強16倍とPurcell効果の発現を示唆するEu発光強度の励起パワー依存性を明らかにした。
【課題２】電流励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題２－１＞ダブルDBR型Eu添加GaNマイクロ光共振器有するLED の最適化とEu発光機能の評価：導電性AlInN/GaN DBRにおいてEu発光域で高反射率99.48%の世界最高値を実現し、光励起下でEu発光増強24倍を達成した。
【課題３】フルカラー化への展開と集積化：＜課題３－１＞Tm添加AlxGa1-xNの作製とTm発光機能の評価：電流注入下で波長超安定・狭帯域Tm発光(805 nm)の観測に成功した。Tm添加AlGaNにおいて光励起下でTmイオンに起因する青色発光を観測した。＜課題３－２＞Tb添加GaNの作製とTb発光機能の評価：光励起下で高輝度Tb発光の観測に成功した。＜課題３－３＞赤色／青色／緑色LEDの同一サファイア基板上への集積化： Eu添加GaN赤色LEDと従来の青色／緑色LEDを「縦方向」に集積化することに成功し、広い色域をカバーできることを実証した。
希土類イオンのモデルハミルトニアン構築の方法論開発を行い、孤立EuイオンやEuCl3において配位子場理論やOfeltらによる計算と矛盾しない結果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
フォトン場制御に関する研究の重心を「光励起下」から「電流励起下」へと移しつつある。ダブルDBRを用いた垂直共振器型LEDを作製し、電流注入下でのフォトン場制御の有効性を実証している。これは原子レベルで制御されたEu添加技術を世界で唯一、有する本研究グループのみなせる成果である。また、世界の誰もが成し得なかった青色／緑色／赤色LEDの１チップ集積化に成功している。すなわち、OMVPE法を用いてEu添加GaN赤色LEDとInxGa1-xN/GaN系青色／緑色LEDを同一サファイア基板上に「縦方向」に積層して集積化し、次世代ディスプレイ規格Rec.2020に対して、面積比105.5%、カバー比91.2%と極めて広い色域をカバーできることを実証した。本集積化チップは原理的にはいくらでも小さなピクセルを実現できることから、超小型・高精細マイクロLEDディスプレイの基幹技術として世界的に脚光を浴びている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を継続的に発展させながら、「光励起下」で発現するフォトン場制御に関する現象を「電流励起下」で実現することを目指す。
【課題１】光励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題１－１＞Eu添加GaNマイクロディスク光共振器におけるEu発光機能の評価：実測Q値と増強率、ならびにEu発光寿命との関連を系統的に評価し、更なるPurcell効果の発現を実証する。＜課題１－２＞Eu添加GaN 2次元フォトニック結晶光共振器の作製とEu発光機能の評価：作製した光共振器において、スタティック測定やダイナミック測定を行い、Purcell効果に起因する究極的なEu発光機能の発現を実証する。＜課題１－３＞Eu添加GaNにおける光学利得とEu発光増強の観測：Euイオンに起因する光学利得を踏まえてFabry-Perot共振器を構成し、励起パワーに対するEu発光挙動を評価する。
【課題２】電流励起下でのフォトン場制御によるEu発光機能の開拓：＜課題２－１＞垂直共振器型Eu添加GaNマイクロ光共振器LED の作製とEu発光機能の評価：n型GaN基板上にAlInN/GaN DBRを有する垂直共振器型LEDを作製し、電流注入下での更なるEu発光増強を実現する。＜課題２－２＞Eu添加GaNマイクロディスク共振器LEDやEu添加GaN 2次元フォトニック結晶光共振器の設計と要素技術の検討：各種光共振器を有する新規LED構造の設計と、作製に関わる要素技術の構築を行う。
【課題３】フルカラー化への展開と集積化：＜課題３－１＞Tm添加AlxGa1-xN LEDの作製とTm発光機能の評価：青色発光を示すTm添加AlGaN LEDを作製し、Tm発光特性を評価する。＜課題３－２＞Tb添加GaNにおけるTb発光機能制御とLED化：緑色発光を示すTb添加GaNの発光制御と高輝度化に取り組む。また、その機能の電流注入下での実現を目指す。
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