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

1991 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 01550240
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 木村 竹正 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (50017365)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 湯郷 成美 電気通信大学, 電気通信学部, 助手 (80017392) ; 河野 勝泰 電気通信大学, 電気通信学部, 助教授 (90017418) ; 中田 良平 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (10017353)
• Keywords: 希土類元素 / エルビウム / 4f内殻電子遷移発光 / 電子衝突励起 / エネルギ-移行効率 / 螢光効率

Research Abstract

InP中にイオン打ち込み法でド-プしたEr^<3+>イオンの4f内殻電子遷移( ^4I13/2→ ^4I15/2)による1.54μmの発光を電子衝突励起という新しい方法で観測することに成功した。最終年度である平成3年度は電子衝突励起によるErの発光特性(発光強度、発光スペクトル)を電圧、電流の関数、さらに温度の関数として調べた。これらの特性を同内試料のフォトルミネセンス(PU)特性と比較し、Erイオンへのエネルギ-移行メカニズム、Erイオンの4f内殻電子遷移発光メカニズムについて解析した。発光効率を見積り、発光デバイスとしての実現の可能性を評価した。電子衝突励起によるInP中のErイオンの発光に関する以下の結果と結論を得た。
1)Erイオンが電子衝突励起で発光することを定量的に示した。
2)高電界では母材InPの衝突イオン化により生じた電子正孔の再結合エネルギ-によってもErイオンは励起され発光する。衝突励起と電子正孔再結合励起の1.54μm発光スペクトルは異なり、後者はPLのスペクトルと一致した。これから、発光するErセンタ-が電子衝子励起と電子正孔再結合エネルギ-励起とでは異なることが結論された。
3)発光強度の温度依存は小さく、室温での発光強度は77Kの強度の約1/2であった。これはPL発光強度が20K以上で急激な温度消化を示すのと対照的である。
4)電子衝突励起過程、螢光過程の解析を行い、電子衝突励起のエネルギ-移行効率はほぼ100%で温度変化がないこと、発光強度の温度特性は螢光効率の温度特性をほぼ反映していることを明らかにした。
5)電子衝突励起の発光効率は我々の試料構造で10^<-8>、衝突断面積は10^<-16>〜10^<-17>cm^2であり、レ-ザ発光としては不十分な値である。
以上から、電子衝突励起とPL励起とでは励起されるErセンタ-が異なり、励起、発光メカニズムも異なることが明らかになった。

Research Products

• [Publications] H.Isshiki: "Impact excitation of erbiumーrelated 1.54μm luminescence peak in erbiumーdoped InP." Applied Physics Letters. 58. 484-486 (1991)
• [Publications] H.Isshiki: "1.54μm Electroluminescence by Electron Impact Excitation of Er Atoms Doped in InP" Japanese Journal of Applied Physics. 30. L225-L227 (1991)
• [Publications] H.Isshiki: "Characteristics of the Electroluminescence and photoluminescence Emissions of Erbium Ions Doped in InP and the Energy Transfer Mechanism" Journal of Applied Physics. 70. 6993-6998 (1991)
• [Publications] H.Isshiki: "Emissions of the 1.54μm Erirelated peaks by impact excitation of Er atoms in IuP and its characteristico" Physical concepts of Materials for Novel Optoelectronics Device Applicatiens 1:Matenials Growth and characterigation. 1361. 223-227 (1990)
• [Publications] H.Isshiki: "1.54μm Electroluminercence by Electron Impact Excitochen of Er Atoms Doped in InP" Extended Abstracts of the 22nd Conference on Solid State Devices and Materials. 605-608 (1990)
• [Publications] T.Kimura: "Impact Excitafion Electroluminescence Spectra of Er ions in IuP and the possibility of an efficient EL diode at 1.54μm" Extended Abstracts of the International Semicon ducfon Device Research Symposium. (1991)