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B02 計画研究

B02-1:近接場分光(SNOM)による特異構造の発光機構解明と制御

  • 研究代表者:川上 養一(京都大学・教授・B02総括)
  • 研究分担者:船戸 充(京都大学・准教授)

本研究では、半極性面マイクロファセット、ナノコラムなどの(Al,In,Ga)N系半導体3次元構造からなる特異構造に着目して、InGaN系ナノ構造の発光波長制御(可視全域カバー)や高効率発光デバイス(究極の100%内部量子効率を目指して)への設計指針を明確にします。具体的には、 InGaN系ナノ構造評価のために独自に開発した二探針SNOMなどの評価法を駆使して、特異構造における励起子・キャリアの空間移動を可視化し、発光再結合機構を解明します。さらに、深紫外域で十分な透過性を持つ近接場プローブ材料・技術を開発し、AlリッチAlGaNのナノ構造光物性を評価するための手法を確立します。これにより、InGaN系のみならずAlGaN系特異構造における空間・時間分解再結合ダイナミクスの研究にも展開します。また、プラズモニクス効果に着目し、組成変調した特異構造における発光波長の選択や高効率化の物理機構を評価・解析します。これらの研究によって、光機能性発現を目指した特異構造設計のための明確な指針が得られ、蛍光体フリーテーラーメイド照明や超高効率深紫外発光素子などに繋がるものと期待されます。

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B02-2:時間空間分解カソードルミネッセンスによる特異構造の光物性解明と機能性探索

  • 研究代表者:秩父 重英(東北大学・教授)
  • 研究分担者:小島 一信(東北大学・准教授)
  • 研究分担者:嶋 紘平(東北大学・助教)

不完全性や不均一性を包含する特異構造は、バルクや表面等と異種界面を形成します。そのような構造体の局所的なキャリア緩和過程や発光過程を理解するには、その構造を狙い打ちして発光ダイナミクスを計測する必要があります。私たちは、フェムト秒チタンサファイアレーザの高調波によりAu等の金属を励起してフェムト~ピコ秒パルス電子線を発生させる「パルス光電子銃」を走査型電子顕微鏡に組み込んで構築した、日本に唯一の時間空間同時分解カソードルミネッセンス(STRCL)計測装置を用い、特異構造の発光強度、波長、寿命等の多次元イメージングを行います。本手法では、集束電子線がキャリア励起源となるためバンドギャップの制限を受けずに特異構造の評価が行えます。B02内はもちろん、A01・A02が形成する特異構造の光物性解明と、光機能性発現のための設計指針を与えるデータ収集をB01と協力して行い、キャリアの実空間移動や量子効果を解明して新しい光科学の創成に貢献します。

フェムト秒集束パルス電子線を用いた時間空間同時分解カソードルミネッセンス概念図
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B02-3:結晶特異構造における励起子多体効果の光物性評価と光機能性探索

  • 研究代表者:山田 陽一(山口大学・教授)
  • 研究分担者:倉井 聡(山口大学・助教)

励起子工学の観点から、励起子分子や励起子および励起子分子間の非弾性散乱など、励起子多体効果に着目した研究を推進します。具体的には、窒化物系半導体が本来的に有する大きな励起子効果を積極的に利用することにより、未だ実現されていない高密度励起子系の輻射再結合過程を利用した高機能かつ高効率な励起子系発光デバイスの構造最適化の構築を目指します。特に、混晶不均一系および低次元不均一系という構造不完全性に起因した結晶特異構造が有する潜在能力を励起子系の局在という現象を通して評価し、励起子系の光学遷移過程における高振動子強度の実現を図っていきます。同時に、励起子系の局在を制御するという観点から、デバイス構造の最適化の構築を目指します。測定に必要となる特異構造を有する試料は、A01グループと連携し、その構造や成長条件を指示して提供を受けます。高出力波長可変色素レーザを用いた選択・共鳴励起分光法、紫外フェムト秒レーザを用いた時間分解分光法、カソードルミネッセンス分光装置を用いた空間分解分光法により、励起子系の次元性や局在性と多体効果との相関を解明し、不均一系において高密度励起子系が有する光機能性を最大限に引き出すための明確なデバイス設計指針を得ていきます。

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B02 公募研究

B02-17-1:輻射・非輻射再結合の同時観測とそれに基づく特異構造の電子状態の理論モデル構築

  • 研究代表者:山口 敦史(金沢工業大学・教授)

多様な特異構造を含む窒化物半導体においては、そのキャリアダイナミクスを理解する上で、輻射再結合と非輻射再結合の2つの過程の各々のメカニズムを明らかにすることが重要となります。本研究では、同一の光励起条件下で、この2つの過程を同時計測する光音響・発光同時計測法を用い、特異構造内での内部量子効率を正確に求めていきます。さらに、時間分解発光測定などの光学実験と理論モデル計算をこれに組み合わせることにより、特異構造の電子状態とキャリアダイナミクスを包括的に理解することを目指します。

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B02-17-2:特異構造を介してのエネルギー変換機構の理論

  • 研究代表者:小田 将人(和歌山大学・講師)

GaNに代表される窒化物系発光デバイスの発光領域において、暗線欠陥の増殖によるデバイスの機能劣化が問題になっています。デバイスの寿命を担保するためには、欠陥増殖機構の解明及び制御が不可欠ですが詳細はまだ手探りの段階にあります。暗線欠陥の増殖は特異構造における電子系から格子系へのエネルギー転換によって起こります。例えば、図に示したような欠陥周りの振動モードがある条件の元で増幅されることが欠陥反応の原因ではないかと考えられています。本研究では、第一原理電子状態計算を用いて電子系から格子系へのエネルギー転換機構の解明を目指しています。将来的に欠陥増殖機構を制御することにつなげることを目標としています。

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B02-17-3:フェムト秒レーザー加工によるシリコンカーバイドへの単一光子源の作製

  • 研究代表者:富田 卓朗(徳島大学・准教授)

近年、シリコンカーバイド(SiC)に電子線照射を行うことで点欠陥が生成されることが報告されています。この点欠陥からの光は単一光子であることが確認されています。このことは、SiC への適切な欠陥の導入が単一光子源の作製に繋がることを示しています。そこで、本研究では電子線照射の代わりにフェムト秒レーザー光照射を行うことで単一光子源を作製することを目的とします。具体的にはレーザー光の照射パラメーターを制御することで、フェムト秒レーザーアブレーション過程に関与する複数の物理過程の寄与を調整し、光子描像に基づく光加工を実現することで、点欠陥の作製が可能であることを実証します。

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