TiN/Ti中間層を用いたアモルファス石英上へのIII-窒化物ナノワイヤーLEDの直接成長

要旨

家電製品は透明性、拡張性、コスト効率で超薄ガラススクリーンに依存度を高めています。特にディスプレイバックライトでは、パネルと直接統合された発光ダイオード（LED）が頻繁に採用されています。本研究では、アモルファス石英上へのIII-窒化物ナノワイヤーLEDの直接成長とデバイス作製を実証しました。試作デバイスは低ターンオン電圧2.6 Vを示し、窒化物LEDの悪名高いグリーンギャップを橋渡しする約590 nmの黄色光を発光しました。TiN/Ti中間層を用いることで、約40%の可視光透過率を維持しつつ電気伝導性を確保しました。ナノワイヤー構造は従来の平面量子井戸デバイスと比較し歪みとスレッディング転位を最小限に抑制します。最後に、ナノワイヤーの広帯域可変発光をレーザーダイオードと組み合わせ、高演色性（CRI）相関色温度白色光生成を実証しました。

背景

発光ダイオードはエネルギー効率と携帯性で冷陰極蛍光ランプを凌駕し、ディスプレイ技術の主役となっています。従来のGaN系青色LEDは通常サファイア上で成長され、大口径サファイアブールへの移行は精密なc面配向と表面平坦性維持など製造課題をもたらしました[1, 2]。さらに、平面GaN LEDは520 nm以上で量子効率が低下するグリーンギャップに悩まされています。

ガラス上へのIII-窒化物直接成長試みにはガス源分子線エピタキシー（MBE）とスパッタリングがありますが、多結晶膜でデバイス性能劣化を招きました[3-5]。サムスンのマイクロマスク選択的MOCVD成長でガラス上に準単結晶GaNピラミッドを達成しましたが、MOCVD中の蒸発でインジウム導入が制限されました[6, 7]。グラフェン前バッファー層でアモルファスガラス上スパッタInGaN品質改善も報告されていますが、プロセス複雑化を招きます[8]。これらは透明基板と窒化物LED統合のよりシンプルでスケーラブルな手法の必要性を浮き彫りにしています。

III-窒化物ナノワイヤーは窒素リッチ条件下で触媒フリー成長し、大域的エピタキシャル関係なしで自発核生成するため、シリコン、金属、シリカなど多様な基板で成長可能です[9-25]。高表面積体積比でスレッディング転位抑制と活性領域歪み低減を実現し、グリーンギャップ内発光に適しています[10-16]。しかしガラスの絶縁性は、透明かつ導電的な電気注入デバイス作製を複雑にします。

ここでは、透明性と導電性を両立するTiN/Ti中間層を用い、アモルファス石英上へのInGaN/GaNナノワイヤー直接成長を初めて実証します。得られたナノワイヤーLEDは黄色光（約590 nm）を発光し、窒化物光エレクトロニクスとスケーラブルガラス基板統合の実現可能性を示します。

方法

材料成長

試料をVeeco GEN 930 PA-MBEシステムで窒素リッチ条件下で成長。市販両面研磨石英（約500 μm厚）をアセトンとイソプロパノール洗浄後、窒素乾燥。20 nm Ti層を電子ビーム蒸着し、半透明導電中間層としました。再度溶剤洗浄と2回アウトガス後、成長室で窒素プラズマ（1 sccm、350 W RF）でTiを部分窒化しTiN化後、Gaシャッターを開きました。n型GaN:SiナノワイヤーベースをGa BEP 6.5×10⁻⁸ Torr、Siセル温度1165℃で成長。二段階アプローチ（620℃で10分核生成、770℃で成長）でナノワイヤー密度制御。5層InGaN量子ディスク（5×10⁻⁸ Torr Ga BEP、5×10⁻⁸ Torr In BEP）とGaNバリアを堆積、310℃ Mgセル温度でp型GaN:Mg層を形成。

光学・構造評価

光ルミネッセンス（PL）は325 nm HeCdレーザー（3.74 mW）、×15 UV対物レンズで測定、励起密度約310 kW cm⁻²。試料をLinkam THMS 6000低温恒温槽で77 Kから300 Kまで冷却。透過率スペクトルは島津UV-3600分光光度計で空気基準で記録。SEM像はFEI Quanta 600、HRTEMとHAADF-STEMはTitan 80-300で300 kV。元素マップはEDS（EDAX）とEELSで取得。

デバイス作製と評価

洗浄後、2 μmパリレンC層を熱蒸着。酸素プラズマRIEでパリレンをエッチングしp型チップ露出。Ni（5 nm）とITO（230 nm）を電子ビーム蒸着とRFスパッタリングで堆積し、透明電流拡散層形成；500℃ Ar雰囲気アニールで伝導性向上。Cl/Ar ICP-RIEでメサ形成、Ni/Auコンタクトを電子ビーム蒸着とリフトオフで形成。L-I-V測定にKeithley 2400使用。赤外線サーモグラフィ（OptoTherm）で60℃加熱によるカスタム放射率マップ生成後、電流依存イメージングで局所温度上昇測定。

結果と考察

石英上成長ナノワイヤーの構造・光学評価

ナノワイヤーは約90 nm n-GaN、5層7 nm InGaNディスク、14 nmバリア、約60 nm p-GaNで構成。平面図SEM（図1a）で高密度、約100 nm幅、約250 nm長、密度9×10⁹ cm⁻²、充填率78%のワイヤーを確認。二段階成長で核生成最適化と凝集（非放射中心導入）最小化を両立。

明視野TEM（図1b）で格子ミスマッチ基板上の結晶性GaN成長を確認。HAADF像（図1c）で5層InGaNディスクが明点として可視化。元素マッピングでナノワイヤーが石英直接ではなくTiN層上で核生成することを確認。窒化工程で形成されるTiNは約10 nm厚で透明性と導電性を両立、長波長反射鏡としても機能[31]。

μ-PLスペクトル（図2a）で77 Kから300 Kで赤方シフトと拡大を示す幅広ピーク、Varshniバンドギャップ収縮と励起子-フォノン結合と整合。パワー依存μ-PL（図2c）で無視できるブルーシフト、ナノワイヤー形状によるラジアル歪み緩和で圧電場と量子閉じ込めスターク効果低減を示唆。

透過率測定（図3）で裸石英（約93%可視）、20 nm Ti付石英（約22%）、TiN/Ti中間層（約43%）、成長ナノワイヤー（約40%）を比較。TiN層が透明性回復、活性領域がInGaNディスク吸収で透過率わずかに低下。光学写真（図3b-e）で各層の視覚的影響を示す。

デバイス評価

LED作製フローを図4に要約。最終デバイススタック（図5a）はNi/Auコンタクト、Ni/ITO電流拡散層、埋め込み量子ディスクを持つナノワイヤーアンサンブル、TiN/Tiバックコンタクトで構成。

500 μm×500 μmデバイスは約2.6 Vでターンオン（V-I曲線線形外挿）、抵抗約300 Ω、シリコンベースナノワイヤーLEDより高抵抗（薄TiN/Ti層の限られた伝導性と意図せぬTiO₂形成による[36]）。光取り出し効率は控えめで、発光が石英に結合し一部後方散乱。EL測定で幅広120 nm線幅；ピークはターンオン時650 nmから大電流で590 nmへブルーシフト、バンド充填効果によるもので熱的効果が高注入で相殺。EQEは20 mA付近でピーク後低下、電流集中と石英の不良放熱に起因。

赤外線サーモグラフィ（図6）で35 mAでデバイス温度60℃超、熱は活性領域周辺に集中。今後設計では効率的フォノン輸送層で熱ロールオーバー緩和が必要。

色混合実験

高品位白色光はディスプレイと照明に不可欠。可変黄色ナノワイヤーLEDとRGBレーザーダイオード（LD）を透過配置で組み合わせ、CRI 55以上維持しながらCCT 2800 Kから7000 K超まで白色光生成。黄色LEDの広スペクトルがCRI向上に寄与；RGB LDのみでCRI 55.4、黄色成分追加で7300 Kで85.1まで向上（図7e）。セットアップ（図7a）にThorlabs三チャネルコンバイナ、45°ミラー、GL Spectis 5.0分光器でCIE 1931色度座標抽出。

結論

TiN/Ti中間層を介しアモルファス石英上へInGaN/GaNナノワイヤー直接成長し、このプラットフォームベースLEDを作製しました。ナノワイヤー構造でガラス基板上に高結晶性窒化物材料を実現し、黄色-琥珀色-赤色発光（590-650 nm）、120 nm FWHMを可能にしました。広帯域可変スペクトルを活用し、透過配置で広範囲白色光源（3000-7000 K超）実現、ナノワイヤー-石英LEDのスケーラブル透明光エレクトロニクス応用への可能性を示しました。