2018 Fiscal Year Annual Research Report
Lanthanoid doped GaN quantum sensors electrically operated at room temperature
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18H01483
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐藤 真一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (40446414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西村 智朗 法政大学, イオンビーム工学研究所, 教授 (80388149)
出来 真斗 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (80757386)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム半導体 / ランタノイド / 量子センシング / 発光ダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ランタノイド注入GaNダイオードの電流注入による光検出磁気共鳴(ODMR)を実現するためには、まずODMRの高周波印加条件を決定する必要がある。高周波印加条件を決定するためには、効率的な発光条件（共鳴励起条件）を知る必要があるため、2018年度は、GaNエピ膜にイオン注入したランタノイド（PrおよびNd）の共鳴励起波長を、波長可変レーザーを搭載した共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡(CFM)を用いて調べた。400～800nmの範囲で励起光波長を掃引し、ランタノイドの発光強度が最大になる波長を明らかにした。また、共鳴励起波長での励起では、GaN結晶欠陥や不純物に起因するバックグラウンド発光が抑えられるため、非共鳴励起条件と比較すると極めて高い信号・バックグラウンド比が得られることがわかった。
また、Pr注入GaNダイオードにおいて、順方向電圧印加によるPrの電流注入発光を観測するため、比較的構造がシンプルなn型ショットキーバリアダイオード(SBD)を作製した。照射損傷を可能な限り避けるため、GaN基板上n型GaNエピ膜上に電子ビーム描画装置を用いてイオン注入マスクを形成し、1μm×1μm未満の微小領域にのみPrをイオン注入した。その後、SiN被覆処理を行い、1250℃, 2分の高速熱処理によってPrを活性化させた。SiN被覆を除去し、最後に両面に金属電極を形成し、n型SBD構造を形成した。Pr注入n型SBDのダイオード特性評価およびエレクトロルミネセンス発光観測を現在進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2018年度では、ODMR計測条件の決定に必要となる、ランタノイドの共鳴励起条件を明らかにしたが、ODMRの計測には至っていない。また、微小領域にランタノイドを注入したGaNにダイオード構造を施したデバイスを作製したが、その電流・電圧特性評価や電流注入に基づく発光（エレクトロルミネセンス）の観測についてはまだ実施できていないため、進捗がやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
GaNにドープしたランタノイド（PrおよびNd）の光学的特性は2018年度で詳しく明らかにすることができたため、今後は「ランタノイド注入GaNのODMR観測」と「ランタノイド注入GaNダイオード量子センサーの設計・作製・評価」を中心に取り組んでいく。
ダイオード構造を持たないGaNエピ膜に注入したランタノイドに対し、共鳴励起条件を利用したODMR測定を行う。共鳴励起条件ではランタノイドが選択的に励起、発光するため、高いコントラストでODMRを観測できると考えられる。これによりODMRの測定条件を明らかにし、その後、ランタノイド注入GaNダイオードのエレクトロルミネセンス発光に基づくODMR測定に挑戦する。
2018年度に作製したPr注入n型SBDの電気特性評価およびエレクトロルミネセンス観測を行う。良好なダイオード特性が得られているかどうかを確認したのち、ランタノイド注入領域からのエレクトロルミネセンスをCFMを用いて観測し、検出可能な最小ドットサイズ、最小アンサンブル数を調べる。エレクトロルミネセンス強度と注入電流の関係性を明らかにし、最適発光条件を得るとともに、デバイス作製プロセスの改善を検討する。
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Research Products
(4 results)
