成果報告書詳細
管理番号20140000000272
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発 InGaN系ナノコラム結晶による新世代映像表示デバイスの開拓
公開日2015/2/19
報告書年度2010 - 2013
委託先名セイコーエプソン株式会社 学校法人上智学院
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本開発プロジェクト「InGaN系ナノコラム結晶による新世代映像表示デバイスの開拓」は、平成22年10月に開始し平成25年9月まで実施した。ここでは新方式のプロジェクターのキイデバイスとなるナノコラムLEDパネル基盤技術の開拓を目的とした。ここでは研究開発期間で得られた最終成果について、次にように要約してまとめる。

a)赤色発光(波長600-662nm)InGaN系規則配列ナノコラムを成長させた。フォトルミネッセンス(PL)積分強度の励起強度密度依存性を用いて、300Kにおける内部量子効率を算定し、600-613nm発光ナノコラムに対して15-22%の値を得た。
b)規則配列GaNナノコラムを成長させた。RIE/ICP二段階エッチング法を開拓し、ナノホールパターンの高品質化を達成し、変動係数1-2%までのナノコラム径の均一化を得た。さらに、400×400μm2領域の均一に配列されたInGaN系ナノコラムLED結晶を得た。
c)InGaN/GaN MQWを内在化した規則配列GaNナノコラムで青色(波長440nm)から深赤色(670nm)の可視域でのPL発光を得た。赤色発光(633nm)ナノコラムLED室温動作を実証し、また、ナノコラム側面パシベーション法を確立した。
d)直径65μmの円形発光領域をもつ緑色InGaN系ナノコラムLEDを作製し、室温直流電流動作に成功した。65μmφナノコラムLEDで発光出力315μWを観測し、続いて30μmφナノコラムLEDで光出力155μWを得て、最終数値目標を達成した。
e)光波とナノコラム周期構造の強い相互作用が発現させ、ナノコラムLEDの放射ビーム分布の方向性制御を実現し、小さな放射ビーム広がりを示す黄色発光(570nm)ナノコラムLEDを得た。Si基板上への貫通転位フリーの規則配列GaNナノコラムの成長法を開拓し、pn接合InGaN/GaN 多重量子井戸(MQW)ナノコラム結晶を作製して、緑色(540nm)から赤色(544nm)域の単一ピークPL発光を得た。
f)ナノコラムLED画素アレイ化に向けて、ドライエッチングによるナノコラム画素間分離法、画素間絶縁のためのポリイミド埋め込み法、アノード‐カソードマトリクス配線法などのさまざまなプロセス技術を開拓し、20×20μm2画素からなる4×4ナノコラム画素アレイを作製し、個々のLED画素からの発光の観測に成功した。
g)微細なナノコラムLED作製プロセスの確立を進め、10μmピッチの16×16ナノコラム画素アレイを作製した。画素アレイはアノードラインとカソードラインがマトリクス状に配置され、アノードライン、カソードラインの各々一箇所を選択して電流を流すと、そのクロスポイントの画素のみが発光し、ナノコラム映像表示デバイスの基本機能を実証した。
h)将来の事業化に繋がる技術として、ナノコラムを基板全面に形成する工程の確立を進めた。2回干渉露光の手法により、2インチ基板の1/4の領域にナノホールパターンを形成し、規則配列ナノコラムの成長を確認した。
英文要約The development project named “Development of New-generation Projection Display Devices by InGaN-based Nanocolumn Crystals” started in October, 2010 and ended in September, 2013. We were aiming to develop the fundamental technology of nanocolumn LED panels, which are key devices for the new method of projection display. The final findings in the research period are briefly summarized as follows.

a) We grew red-emitting emission InGaN-based nanocolumn arrays (600-662 nm in wavelength). Dependence of the integrated photoluminescence (PL) intensity on the optical excitation density was measured to evaluate the room temperature internal quantum efficiencies of red-emitting (600-613 nm) nanocolumns of 15-22%.
b) Uniform arrays of GaN nanocolumns were grown. By developed RIE/ICP two-step etching method, well-controlled circular nano-hole patterns with a uniform nanocolumn diameter with a low variation coefficient of 1-2% were fabricated. InGaN-based nanocolumn LED crystals having the uniform nanocolumn arrangement in 400x400 μm2 were fabricated
c) GaN nanocolumn arrays, in which InGaN/GaN MQWs were integrated, were fabricated observing visible PL emissions from blue (440 nm in wavelength) to deep red (670 nm). The room temperature operation of red-emitting (633 nm) nanocolumn LEDs was demonstrated and then the sidewall passivation technique of nanocolumn was developed.
d) Green-emitting InGaN-based nanocolumn LEDs with the circular emission area of 65 μm diameter were fabricated, having successful room temperature DC current operations with the light output of 315 μW. The light output of 155 μW for 30 μmφ.nanocolumn LEDs, by which the final numerical target in output was attained.
e) The strong interaction between light wave and nanocolumn periodic structure induced the directional radiation beam profile of nanocolumn LEDs, observing a low divergence angle of radiation beam for yellow (570nm) emission nanocolumn LEDs. The SAG technology of nanocolumn on Si substrates was developed and pn junction InGaN/GaN multiple quantum well (MQW) nanocolumn crystals were fabricated observing single peak PL emissions in the green (540nm) to red (644nm) region.
f) To fabricate nanocolumn LED pixel arrays, various process technologies such as separation method of nanocolumn pixels by dry etching, polymide embedding method for electrical isolation of pixels, and anode and cathode matrix wiring method and so on, were developed, by which 4x4 nanocolumn LED pixel arrays with 20x20 μm2 pixels was demonstrated, observing light emissions from individual LED pixels.
g) The process technology for fine nanocolumn LED pixel arrays was developed to fabricate 16x16 nanocolumn pixel arrays with 10 μm pitch, which had the matrix wiring of anode and cathode lines. Selecting certain anode and cathode lines, the voltage was applied to observe an optical emission of the nanocolumn pixel at the cross point of matrix, by which the basic functionality of nanocolumn projection display devices was demonstrated.
h) As a basic technology for the future operation, we investigated to form nanocolumns on wide area substrates. Nanohole patterns were prepared on quarter-cut 2-inch substrates by two-beam interference lithography, to grow uniform nanocolumn arrays on them.
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