【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.02】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24OS1042

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 / Osaka Univ.

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）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（副 / Sub）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

キーワード / Keywords

量子効果/ Quantum effect,量子効果デバイス/ Quantum effect device,電子顕微鏡/ Electronic microscope,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,フォトニクス/ Photonics,集束イオンビーム/ Focused ion beam,膜加工・エッチング/ Film processing/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

大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻

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-003：200kV原子分解能走査透過分析電子顕微鏡
OS-005：複合ビーム３次元加工・観察装置
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

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、網膜投影ディスプレイなどの次世代ディスプレイ技術の開発が近年盛んに行われている。我々は、素子サイズを格段に小型化できる構造として、直径がナノオーダーの六角形柱状構造を持つナノワイヤ構造に注目している[1,2]。本構造は選択的成長を用いることで、薄膜構造の小型化の際に問題となる表面の加工損傷を抑制でき、また成長条件を変化させることで寸法を制御することが可能である。さらにフレキシブル樹脂中に転写を行うことで、ナノワイヤ1本を素子としたフレキシブルナノ発光源への応用も期待される。我々はこれまで、希土類元素であるEuを添加したGaN(GaN:Eu)を発光層に用いた狭帯域赤色発光ナノワイヤLEDの成長技術の確立と実証に成功している[3-5]。しかし、更なる発光強度の増大および高効率化に向けては、高アスペクト比コア上に発光層を均一に成長させた、コアシェル構造(Fig.(a))が理想的である。そこで本研究では、高アスペクト比GaN:Euコアシェルナノワイヤの作製に向けた成長技術の確立と、その詳細な光学特性を評価したので報告する。

実験 / Experimental

本研究では、(0001)サファイア基板上にn-GaN層成長後、三角格子状に配置したSiO₂円孔マスクパターンを電子線描画により形成した。その後、選択有機金属気相エピタキシャル法によりn-GaNコア(Fig.(b))、GaN:Eu層の順に再成長を行った。ナノワイヤ成長後、走査型電子顕微鏡(SEM)による構造観察および顕微フォトルミネッセンス(PL)測定（励起レーザとしてHe-Cdレーザ）、さらにイオンミリングによりナノワイヤに断面加工を施し、低温カソードルミネッセンス(CL)測定により発光特性評価を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig.(b)および(c)に今回作製したn-GaNコアナノワイヤとGaN:Eu ナノワイヤのSEM像を示す。一般的に低温・高V/III比下においてコアシェル状に成長を制御することが可能であるが、Euの添加によりナノワイヤの成長形態だけでなく、発光特性にも大きく影響を与える。よってこれらを踏まえ成長条件を適切に制御することで、Fig.(c)に示すような、高アスペクト比なGaN:Euコアシェルナノワイヤが得られた[6]。次に、上面からのCL測定の結果（Fig.(d)）から、側壁部により多くのEuが取り込まれていることがわかる。さらに単一ナノワイヤ中のGaN:Eu発光層の分布を調べるために断面評価を行ったところ、発光ピーク位置が側壁と先端とで変化することがわかった。これは形成されるEuの発光センターが側壁と先端とで異なることに起因する。特にこれまでの知見から、側壁で確認された621nmの発光はデバイス応用に適した高効率な発光中心であり[7]、これらの結果は、本研究において作製したコアシェルGaN:Euナノワイヤがデバイス化に有利に働くことを示唆するものである。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

(a) GaN:Eu/GaNコアシェルナノワイヤの概念図、(b)GaNコアおよび(c)GaN:Eu/GaNコアシェルナノワイヤのSEM像 (d)-(e) GaN:Eu/GaNコアシェルナノワイヤの上部および断面方向からのCLスペクトル分布。挿図は測定したナノワイヤのSEM像

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

[1] K. Choi et. al., J. Cryst. Growth 58, 357 (2012). [2] H. Sekiguchi et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 55, 05FG07 (2016). [3] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SD1022 (2022). [4] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SG1018 (2023). [5] J. Tatebayashi, R. Yoshida, Y. Fujiwara et. al., ECS J. Solid State Sci. Technol. 12, 096003 (2023). [6] 吉田, 藤原 他, 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 17a-C42-7 (2024). [7] R. Wakamatsu, Y. Fujiwara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 114, 043501 (2013).

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. Zhidong Fang, Demonstration of enhanced Er luminescence in nanobeam photonic crystal nanocavities based on Er,O-codoped GaAs, Japanese Journal of Applied Physics, 64, 025001(2025).
   DOI: 10.35848/1347-4065/adaff3
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. M. Ida, J. Tatebayashi, S. Ichikawa, M. Tane and Y. Fujiwara, “Optical characterization of energy transfer process in Tm,Yb-codoped ZnO nanowires”, 37th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2024), 14P-1-44, Kyoto, Japan, November 12-15 (2024).

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