Reducing thermal resistance across interfaces in GaN-based LEDs by phonon engineering

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窒化ガリウムと窒化アルミニウム（GaN/AlN）からなるLEDに着目し、ジャンクションの温度を低下させるために、多重量子井戸構造の光電子特性と熱特性を両立する最適化構造を設計した。そのために、多重量子井戸構造を直接的に表す記述子を採用したうえで、構造の良し悪しの評価を、光学物性（放出強度と波長）、熱物性（熱伝導度）、またはその両方を合わせた性能指数にもとづいて行った。光学物性については、電子と正孔の波動関数の重なりの程度によって性能を評価し、熱物性については、フォノン透過関数を計算して熱伝導度を評価した。後者の熱伝導度の計算は、外国人研究員が受け入れ研究者より習得した技術であり、それを発展させて異種材料界面の原子間力定数を第一原理計算にもとづいて求める手法を実現したことは特徴的な成果である。計算の結果、多重量子井戸構造の厚さおよびAlN量子バリアの数を変えた様々な場合について最適構造を同定した。また、それぞれの構造に関して、重なり積分、波長、ポテンシャルを詳細に解析することでその機構を議論した。加えて、光学物性と熱物性を両立する構造についても設計を行い、構造最適化の有用性を示した。さらに、最適化の精度の向上および、現実的なデバイスを念頭に、より複雑な系への展開を可能にした。複雑な系においては候補構造数（配列の組み合わせの数）は、全体の厚さ（単位層の数）を固定した場合でも膨大になり、単位層の数が大きくなるに従ってべき乗で増加するため、ベイズ最適化と物性計算を組み合わせたマテリアルズ・インフォマティクス手法を用いて効率的な最適構造設計を行った。例として，熱伝導の高さを評価値とし、GaN/AlNの多層構造に対して本手法を適用したところ、全候補数の数パーセントの数の構造を計算するだけで最適構造を同定することに成功した。