Novel broadband mid-infrared emitting quantum structures fabricated by metal organic vapor phase epitaxy
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22K04245
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
前田 幸治 宮崎大学, 工学部, 教授 (50219268)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤澤 剛 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (70557660)
荒井 昌和 宮崎大学, 工学部, 准教授 (90522003)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 超格子構造 / エネルギーバンド計算 / 発光の温度-励起強度ダイアグラム / 発光遷移図 / PLスペクトル / MOVPE / InAs/GaSb / 中赤外線 / 超格子 / バンド構造 |
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| Outline of Research at the Start |
中赤外線領域（2-10 μm）は、分子の吸収が近赤外領域より桁違いに大きく、微量物質の検出などで最適の波長帯である。量産性の高い有機金属気相成長法を用いた超格子構造を作製し、これまでにない広帯域発光光源を実現する。従来の発光デバイスは、超格子に由来する量子準位間の最低のエネルギーであるバンドギャップ付近の発光を中心に利用していた。本課題で取り組む新しい方法は、超格子構造より計算で求めた電子の状態密度と電子占有状態に基づいて、広範囲の準位からの発光も利用する。これにより、これまで実現されていない約3 μm幅を持つ非熱的高効率広帯域 中赤外発光光源の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、InAs/GaSb超格子構造を用いて室温付近で広い発光スペクトルを持ち、強い中赤外発光を得られる素子を作製することが目的である。
2022年度は実際の超格子構造の作製に先立ち、まず2種類の超格子構造について5Kから300Kまで、11点の温度および、10^21から10^25/m^3の範囲の励起キャリア密度の組み合わせでエネルギーバンド計算を行い、自然放出による発光スペクトルの励起強度依存性と温度依存性を詳細に検討した。その結果、発光の温度-励起強度ダイアグラムは大きく3つの領域に分けられることを明らかにした。それは、低温低励起、中温中励起、高温高励起状態であった。
次にそれらの発光が、どのようなバンド構造に由来するかを知るために、各温度のバンド図から発光遷移図を作成し発光準位との対応を行った。その結果、低温低励起状態から中温中励起状態への変化は、最低の準位間が最も強く発光している状態から最低の次に低い状態間の方が発光強度が強くなる時に起きたことを明らかにした。一方、中温中励起状態から高温高励起状態への変化は、最低の次に低い状態間から3番目に低い状態間の遷移が優勢になる領域に相当していた。しかし、この変化は、温度や励起強度により発光の変化のパターンが変化に富み、統一的に説明することはまだできていない。
これらの結果より室温付近の発光を支配するのは最低の準位間ではなく、それより大きなエネルギーをもつ下から2番目、3番目の準位間の設計が重要であることを示すことができた。
次にこれらの結果を参考にMOVPEにより、超格子の作製を行った。しかし、測定装置の故障が続きまだ室温のデータしか得られていない。その予備的な結果では、成膜温度に対する発光強度の変化が大きく、強く発光する素子の作製温度範囲は狭いことが明らかになっている。これらの結果を元に現在作製条件の最適化を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
超格子の素子の作製に先立って、まずバンド計算を行い、計画通り結果が得られた。その後MOVPEにより作製を行った。作製された超格子の評価のための低温まで測定できるPL測定装置のプリアンプ部分と低温冷却分が2回にわたって大きな故障をし、原因の特定や修理に半年ほどかかった。プリアンプ部の修理後、室温での測定は行えるようになったので、作製されたサンプルの評価は、室温で行い対応した。
また、予定していなかった事態として、サンプルの発光強度が時間とともに低下する減少が見られた。現在は真空デシケータに保存するなどして対応しているが、年単位の変化なので長期的に観察しないと原因はわかっていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
低温PL装置の修理ももうすぐ終わる。やや遅れているので、すべてサンプルで低温測定までは行わず、重要な構造のサンプルを測定し、計算結果通りの発光をしているか確かめたい。その結果より、この組成で異なる構造の2度目のバンド計算を行うか、材料系や組成を変化させた条件で計算を行うか判断したい。また、作製温度の最適化や、2度目のMOVPEによるサンプル作製を行うことを計画している。
また、室温でのPL測定の結果だけだが、赤外PL強度は計算より相対的に低い値を示す構造のものがいくつか得られている。これらの原因を探りたい。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
