2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of organic/inorganic hybrid optical devices using molecular doped organic single crystal activelayer
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19K22147
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
菊池 昭彦 上智大学, 理工学部, 教授 (90266073)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2023-03-31
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| Keywords | 有機無機複合光デバイス / 集積型RGB光源 / 窒化物半導体 / ナノ構造 / 分布ブラッグ反射 / DBR / 水素雰囲気異方性熱エッチング / HEATE |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、有機単結晶を活性層と無機半導体を組合わせた新規有機無機複合型光デバイス技術の開発を目指している。コロナ禍により実験機会が当初計画から大幅に減少したため、最終目標である有機無機複合型光デバイスの構造設計とナノ加工技術に焦点を絞って研究を行い、研究期間を2022年度まで延長することとした。
①有機無機複合型RGB集積レーザの構造設計：有機半導体発光層と励起用InGaN半導体レーザを同一基板に形成する集積型RGBレーザの構造設計を行った。導波モード解析とFDTD法を併用し、InGaN/GaN多重量子井戸活性層をp型およびn型GaN層で挟んだ構造の下部に低屈折率AlInN層を有する構造において、高い光閉じ込め係数が得られる高次導波モードが形成される設計条件を見出した。さらに、導波路両端に高反射率の半導体／空気－分布ブラッグ反射鏡（DBR）を形成することによりしきい値電流500uA以下で発振可能な極低閾値レーザが期待できることを示した。
②高アスペクトナノトレンチ加工技術の開発：RGB集積レーザの作製に向け、有機材料を流し込むGaNナノ流路の形成条件の把握を行った。エッチングには独自の低損傷ナノ加工技術である水素雰囲気異方性エッチング（HEATE）を用いた。昨年度はアンモニアを添加することによる垂直性の向上を見出したが、本年度はエッチング温度と圧力の影響を精査し、GaNの場合は水素のみでも1000℃、20Pa程度の高温低圧条件を用いると垂直性の良好な高アスペクトナノトレンチを形成可能であることを見出した。また、ワイドギャップ酸化物であるGa2O3やIn2O3のHEATEによるエッチング特性の評価も行い、有機無機複合デバイスへの適用可能性を検討した。
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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
2021年度もコロナ禍により実験機会が予定より大幅に減少し、加えてナノ加工システムのトラブルにより交付申請書の計画に対してデバイス試作面での遅れが生じたが、理論解析に主軸を移すことによりデバイス構造設計において予定以上の進捗を得ることができた。このため、総合的には「おおむね順調に進展している」と判断できる状況となった。具体的な進展状況は以下の通りである。
理論面では、低屈折率AlInN格子整合層をInGaN/GaN-MQW-LED構造下部に配置する導波路構造を提案し、導波モード解析と電磁界解析（FDTD法）によりレーザ発振しきい値の理論計算まで進展させた。しきい値電流の構造パラメータ依存性を系統的に評価し、AlInN層厚950nm、共振器長5.18umにおいて374uAの極低しきい値発振が得られる可能性が示された。また、半導体-空気DBR構造を導波路側面に配置する導波構造も提案し、5周期以上のDBRを用いれば良好な横モード制御が可能であることなど、有機無機複合型RGB集積光源の構造設計における多くの知見や指針を得た。
実験面では、HEATEによるエッチングが正常に行えなくなるトラブルが発生したが、原因がウェハ表面に1nm程度の極薄膜SiO2が形成されたためであることを突き止め、対策を施すことによりエッチングの再現性を確保することができ、水素のみのHEATE条件でGaNの高アスペクト加工が可能な条件を把握した。有機無機複合型RGB集積光源の励起光源として用いるInGaN/GaN/AlInN構造の強励起利得測定実験を行い、光励起による誘導放出の観測に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020～2021年度において、実験機会を大幅に削減せざるを得ない状況となったため、2022年度まで研究計画を延長して、当初の目標である有機無機複合型デバイスの試作まで達成することを目指す。具体的な方策、課題および対応策を以下に示す。
①有機材料の優れた光学特性を有効に活用する光励起型集積RGB光デバイスの設計と試作を行う。これまでに開発したGaNメンブレンやAlInNガイド層を用いる導波構造にGaNナノトレンチ（ナノ流路）を組合わせて有機材料を注入し、光励起による発光特性を評価して構造の最適化を行う。並行してInGaN/GaN励起光源の構造設計と作製を進め、ナノ流路型有機発光層と組み合わせたデバイス構造の試作を行う。
②有機単結晶発光層にn-GaNから電子、ｐ-GaNから正孔を注入させる構造の有機無機デバイス構造を試作し、電流注入特性と発光特性を評価する。分子ドープ有機単結晶の成膜や析出条件の把握が難航する場合は、既に大面積薄膜単結晶の成長技術を開発したBP3Tやペロブスカイトなどのノンドープ有機活性層を用いてデバイス作製プロセス技術を確立する。有機単結晶への高効率電流注入は、高電流密度駆動下での有機活性層の劣化を抑制して高効率発光を実現するための必須課題であり、自己配列双極子分子（SADM）とAlGaN/GaN階段状ヘテロ構造を中間層として導入し、電流電圧特性や発光効率の改善効果を評価し、構造を最適化する。
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| Causes of Carryover |
コロナの影響と想定外のナノ加工装置のトラブルで実験実施機会が大幅に削減されたため、実験に使用する消耗品類の購入を見合わせ、研究期間を延長して次年度に使用することが研究目標達成に有効であると判断した。
GaN系エピウェハ、酸化ガリウム単結晶基板、有機半導体材料、有機溶剤など化学薬品、手袋など実験用消耗品類、学会参加費、研究補助者アルバイト謝金などに使用する。
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