利用報告書 / User's Report

【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.07.28】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22OS1007

利用課題名 / Title

希土類添加半導体を有するナノ光デバイスの研究

利用した実施機関 / Support Institute

大阪大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/Electron microscopy,膜加工・エッチング/Film processing and Etching


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

舘林 潤

所属名 / Affiliation

大阪大学

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

OS-101：高精細集束イオンビーム装置
OS-110：リアクティブイオンエッチング装置
OS-102：SEM付集束イオンビーム装置
OS-111：リアクティブイオンエッチング装置
OS-122：フーリエ変換赤外分光光度計


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

 超スマート社会実現に向けた次世代ディスプレイ技術として、超小型プロジェクタや網膜投影ディスプレイ等「マイクロ(ナノ)ディスプレイ」実現への社会的要素が高まっている。我々は、希土類元素であるEuを添加したGaN (GaN:Eu)を活性層にした赤色発光ダイオード(light emitting diode: LED)の作製に成功しており[1]、それを赤色発光層として用いた同一基板上での3原色発光も実現している[2]。さらに、次世代ディスプレイ実現に向け素子サイズを格段に小型化できる構造としてGaN系ナノワイヤ(nanowires: NWs)に注目し、有機金属気相エピタキシャル(OMVPE)法によるGaN:Euナノワイヤの作製に成功している[3-8]。本研究では、GaN:Eu層を活性層に用いたナノワイヤLED構造を成長するとともに、電流注入によりEu3＋イオンに起因する発光を室温にて観測したので報告する。

実験 / Experimental

本研究では、(0001)サファイア基板上にn-GaN層成長後、円孔を三角格子状に配置したSiO2マスクパターンを電子線描画により形成した。そのテンプレート上に選択OMVPE法によりn-GaNコアナノワイヤ、GaN:Eu層、p-GaN層の順に再成長を行い、走査型電子顕微鏡(SEM)によりナノワイヤの形状観察を行った。ナノワイヤ成長後、フレキシブル発光デバイス実現を踏まえフレキシブル樹脂であるポリジメチルシロキサン(polydimethylsiloxane: PDMS)を用いてナノワイヤを包埋し、ウェットエッチングによりナノワイヤの頭出しを行い電流注入デバイス構造の作製をし(Fig. (a))、電流-電圧(I-V)特性およびエレクトロルミネッセンス(EL)測定による発光特性を評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

Figs. (b)-(d)に成長したn-GaNコアナノワイヤ、GaN:EuナノワイヤおよびGaN:EuナノワイヤLED構造のSEM像を示す。それぞれの層の成長条件を最適化することにより、活性層であるGaN:Eu層をn-GaN層とp-GaN層で挟み込んだナノワイヤLED構造の作製に成功した。作製したGaN:EuナノワイヤLEDのI-V特性を評価したところ、逆方向バイアス下でリーク電流が見られるが、順方向バイアス下では立ち上がり電圧が高いものの整流性が確認された(Fig. (e))。Fig. (f)に室温下におけるELスペクトルの注入電流量依存性を示す。注入電流量に依らず622 nm付近において、Eu3+イオンに起因する赤色発光が確認された[9-11]。このGaN:EuナノワイヤLED構造をフレキシブル基板へ転写することにより、高精細なフレキシブル発光デバイスの実現が期待される。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


(a) Schematic of fabricated NW LED device. 



(b)-(d) SEM images of n-core NWs, GaN:Eu NWs and GaN:Eu NW LEDs. 



(e) I-V characteristic of the device. 



(f) EL spectra of the device at various injection current.


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] A. Nishikawa, Y. Fujiwara et. al., Appl. Phys. Exp. 2, 071004 (2009).
[2] S. Ichikawa, Y. Fujiwara et. al., Appl. Phys. Exp. 14, 031008 (2021).
[3] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SD1022 (2022).
[4] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., 34th International Microprocesses and Nanotechnology Conference, 28B-3-2 (2021).
[5] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., International Conference on Nano-photonics and Nano-optoelectronics 2022, ICNN2-02 (2022).
[6] 大田原, 藤原 他, 第82回応用物理学会秋季学術講演会, 10p-N101-14 (2021).
[7] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., 40th Electronic Materials Symposium, P2-B06 (2021).
[8] 大田原, 藤原 他, 日本材料学会半導体エレクトロニクス部門委員会令和3年度第3回研究会, 1 (2022).
[9] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference, 9D-4-1 (2022).
[10] 大田原, 藤原 他, 第83回応用物理学会秋季学術講演会, 23a-C200-8 (2022).
[11] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., 41st Electronic Materials Symposium, Fr2-11 (2022).


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. T. Otabara, Demonstration of GaN:Eu/GaN nanowire light emitting diodes grown by selective-area organometallic vapor phase epitaxy, Japanese Journal of Applied Physics, 62, SG1018(2023).
    DOI: 10.35848/1347-4065/acbb0f
  2. T. Otabara, Formation and optical characteristics of GaN:Eu/GaN core–shell nanowires grown by organometallic vapor phase epitaxy, Japanese Journal of Applied Physics, 61, SD1022(2022).
    DOI: 10.35848/1347-4065/ac4e4c
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. T. Otabara, J. Tatebayashi, T. Yoshimura, D. Timmerman, S. Ichikawa, and Y. Fujiwara: "Demonstration of GaN:Eu/GaN nanowire LEDs towards realization of flexible light-emitting devices," 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2022), 9D-4-1, Tokushima, Japan, November 8-11 (2022).
  2. T. Otabara, J. Tatebayashi, D. Timmerman, S. Ichikawa, M. Ichimiya, M. Ashida, and Y. Fujiwara: "Room temperature red luminescence from GaN:Eu/GaN core-shell nanowires," International Conference on Nano-photonics and Nano-optoelectronics 2022 (ICNN2022), ICNN2-02, Pacifico Yokohama Conference Center, Yokohama, Japan, April 18-22 (2022).
  3. 大田原崇也、舘林潤、吉村拓真、Dolf Timmerman、市川修平、藤原康文:　 "フレキシブル発光デバイス実現に向けたGaN:EuナノワイヤLEDの作製" 第83回応用物理学会秋季学術講演会、23a-C200-8、東北大学川内北キャンパス（仙台市）＋オンライン、9月20-23日 (2022).
  4. 舘林潤、藤原康文:【招待講演】　 "希土類添加半導体ナノフォトニクスの開拓" 第389回蛍光体同学会講演会、4、日本弘道会ビル、東京都千代田区、11月25日 (2022).
  5. T. Otabara, J. Tatebayashi, T. Yoshimura, D. Timmerman, S. Ichikawa, and Y. Fujiwara: "Demonstration of GaN:Eu/GaN nanowire LEDs towards realization of flexible light-emitting devices," 41st Electronic Materials Symposium, Fr2-11、The Kashihara、奈良県橿原市、10月19-21日 (2022).
  6. 西村和人、舘林潤、市川修平、山田晋也、浜屋宏平、藤原康文:　 "Eu添加ZnOを活性層に用いた赤色LED構造の作製と発光特性評価" 第83回応用物理学会秋季学術講演会、21a-C101-5、東北大学川内北キャンパス（仙台市）＋オンライン、9月20-23日 (2022).
  7. 吉村拓真、館林潤、大田原崇也、Timmerman Dolf、市川修平、藤原康文:　 "有機金属気相エピタキシャル法を用いた高アスペクト比GaN:Eu/GaNナノワイヤの成長と光学評価" 第83回応用物理学会秋季学術講演会、23a-C200-4、東北大学川内北キャンパス（仙台市）＋オンライン、9月20-23日 (2022).
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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