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超低損傷3次元InGaN量子ナノディスク創成により発光効率100倍に ~バイオテンプレート極限加工により次世代高効率窒化物量子ドットLED実用化に道~

 東北大学・北海道大学・北見工業大学は2017年6月23日,東北大学材料科学高等研究所および流体科学研究所の寒川誠二教授ら,北海道大学大学院情報科学研究科の村山明宏教授ら,北見工業大学の木場隆之助教らの研究グループが,独自技術であるバイオテンプレート技術と中性粒子ビーム加工技術を融合して高均一・高密度・超低損傷の平均直径10nm以下,高さ30nmの3次元InGaN/GaN量子ナノディスク構造(ナノ量子ドット(NQD),ナノピラー)を作製することに成功したと共同発表した.本成果は,米国化学会刊行ACS Photonics オンライン版に掲載された(注).

 量子ドット(QD)とは,化合物半導体などで作る10nm程度の3次元ナノ構造体である.電子はQD内に閉じ込められるので,量子効果により電子エネルギーは離散化され,高効率な発光素子等への応用が期待されている.QDの作製方法としては,「トップダウン型」と「ボトムアップ型」が研究されてきた.トップダウン型のリソグラフィ技術では現状22nm以下の加工は困難であり,プラズマエッチング技術も化合物半導体に対しては表面欠陥生成が問題になる.ボトムアップ型の格子歪を利用した自己組織化法では,QDの寸法ばらつきがある,格子歪に伴う格子欠陥が不可避である等の問題があった.

 これに対して本研究チームは,ボトムアップ型技術の「バイオテンプレート」と,トップダウン型技術の「中性粒子ビームエッチング」の2つの独自技術を組合せることで,世界で初めて直径5nmのInGaN/GaNの超低損傷・高アスペクトエッチングを実現した.バイオテンプレートは,金属微粒子(鉄コア:直径~7nm)を内包した生体超分子を半導体基板上に自己組織能を用いて規則的に配置し,そのナノサイズの金属微粒子をテンプレート(マスク)にする手法である.中性粒子ビームは,塩素プラズマからの高エネルギーイオン・紫外線照射を大幅に抑制し,超低損傷エッチングを実現できる.実験では,GaN基板に厚さ2nmのIn0.3Ga0.7N量子井戸(QW)層とGaN層を有機金属気相成長装置(MOVPE)で複数回積層したウェーハを準備した.そのウェーハに新開発の2つの技術を適用して,直径5nmの量子ディスク構造を積層した高さ30nmのナノピラー構造を,無欠陥・均一・高密度(1011/cm2以上)・等間隔(20nm)に2次元配置できた.

 さらに作製したNQDの光励起発光(波長420nm)とその発光強度温度依存性を測定したところ,NQDの発光は70KにおいてQWより420meV高エネルギーにシフトし,発光内部量子効率の温度上昇に伴う低下は緩やかだった.150K付近でのNQDの発光効率は約50%で,QW構造より100倍高い.この量子ナノピラー構造アレイでは,従来困難であった均一なサイズのナノ構造を数十nm間隔で均一かつ高密度に,材料を問わず形成できることから,あらゆる波長帯域での高効率な量子ナノディスクLED(発光ダイオード)およびレーザを実用化できる構造として,極めて有望であるとしている.

(注)Akio Higo, Takayuki Kiba, Shula Chen, Yafeng Chen, Tomoyuki Tanikawa, Cedric Thomas, Chang Yong Lee, Yi-Chun Lai, Takuya Ozaki, Junichi Takayama, Ichiro Yamashita, Akihiro Murayama, and Seiji Samukawa, "Optical Study of Sub-10nm In0.3Ga0.7N Quantum Nanodisks in GaN Nanopillars", ACS Photonics, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00460 Publication Date (Web): June 7, 2017