半導体中の希土類元素の発光メカニズムとその応用に関する研究

1989 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 01550240
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 木村 忠正 電気通信大学, 電子工学科, 教授 (50017365)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 湯郷 成美 電気通信大学, 電子工学科, 助手 (80017392) ; 河野 勝泰 電気通信大学, 電子工学科, 助教授 (90017418) ; 中田 良平 電気通信大学, 電子工学科, 教授 (10017353)
• Keywords: 希土類元素 / エルビウム / 4f内殻遷移発光

Research Abstract

半導体中にド-プした希土類元素の内殻遷移によるシャ-プなフォトルミネセンススペクトルが観測され、さらにpn接合による電流注入でも同様の発光が観測されるにおよび、固体レ-ザの持つ優れた発光スペクトルを有する電流注入半導体レ-ザの可能性が期待されている。平成元年度は、東大生研生駒教授のグル-プで開発された熱拡散法によるド-ピングプロセスを基に、希土類元素が半導体結晶に取り込まれるプロセス、結晶内で占めるサイト、内殻遷移発光プロセスなど、ド-ピング条件を変えてSIMS、フォトルミネセンスにより調べた。
希土類金属を電子ビ-ム蒸着し、熱拡散を行う方法では、希土類金属の純度の問題、プロセス中の酸化及び不純物混入の問題が生じ発光しにくかった。そこで拡散源形成法である電子ビ-ム蒸着に代えてイオン注入による希土類金属のプレデポジションを試みた。基板にはGaAs、InPを用い、希土類元素は、1.54μmで発光の得られるErを用いた。この方法では、イオン注入装置内の質量分析器によるErイオンの抽出によりその高純度化がはかられ、また真空中における半導体基板表面内でのErの拡散源層形成によりErの酸化というプロセス上の問題が解消された。このプロセスの改良により、液体窒素温度において平易にErド-プしたInP、GaAs中のEr原子のシャ-プで強いフォトルミネッセンススペクトル(ΔE1/2=1.5meV)が観測された。しかし、拡散源形成法としての電子ビ-ム蒸着法と比較した場合、Er原子の発光スペクトルおよびSIMSによるErの深さ分布に差が見られた。これはそれぞれの拡散源形成法において、欠陥、不純物の微妙な影響のため、Er原子の取り込みプロセス及び結晶中に占めるサイトに違いが生じていると推測できる。今後、それぞれのプロセスについてEr原子の発光スペクトルの微細構造の評価に加え、その深い準位との関係の解明が必要となる。