2018 Fiscal Year Research-status Report
Development and application of an educational resource of light-emitting semiconductor device fabrication
| Project/Area Number |
18K02995
|
|---|
| Research Institution | Suzuka National College of Technology |
|---|
Principal Investigator |
辻 琢人 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (70321502)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 半導体発光デバイス / 発光ダイオード / 作製教材 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
現在の高度情報化社会を支える半導体デバイスのものづくり実験を高専で実施することは様々な制約によって容易ではない．本研究は，現代社会に欠かすことのできない存在となった半導体発光デバイスの作製技術とその動作原理を理論と実践の両面から効果的に習得することのできる「半導体発光デバイス作製教材」の開発に取り組んでいる．半導体発光デバイスは，用途に応じて様々な波長で発光するが，本研究では可視光域(波長：400-700nm)で発光する発光ダイオードの作製を試みる．
可視光域で発光する発光ダイオードの作製には，可視光を得ることのできる適当なバンドギャップエネルギー(1.8-3.1eV程度)を持つIII-V族化合物半導体を選定しなければならない．本研究では，数多く存在するIII-V族化合物半導体の中から，黄緑色もしくは赤色の発光が得られ，環境への負荷も小さいリン化ガリウム(GaP)を用いることにした．
また，半導体デバイスを動作させるためには，半導体に良好な金属電極を形成しなければならないため，まず，GaPに電圧を印加して効率的に電流を流すことのできる電極材料を検討した．一般に，GaPなどのIII-V族化合物半導体に良好な電極を形成するには金(Au)をベースにした金属が用いられるが，金をベースにした金属は非常に高価なため，本研究では金より安価で比較的入手しやすいインジウム(In)をベースにした金属を使ってGaPに良好な電極が形成できるか試みた．GaPの伝導形(n型，p型)の違いによって使用する金属材料は異なるが，検討の結果，負の電荷を帯びた電子の多いn型GaPにはIn，正の電荷を帯びた正孔の多いp型GaPにはインジウム・亜鉛合金(InZn)を用いることで，印加した電圧に対して電流が線形に変化する良好なオーミック電極が得られた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の目的は，簡易な工程を用いて可視光域(波長：400-700nm)で発光する半導体発光デバイスを作製する教材を開発し，それを様々な教育活動で応用することである．この目的を達成するため，本研究では様々な検討の結果，数多く存在するIII-V族化合物半導体の中から，黄緑色もしくは赤色の発光が得られ，環境への負荷も小さいGaP(バンドギャップエネルギー：2.26eV)を用いることにした．
半導体発光デバイスは，発光層を形成したIII-V族化合物半導体(本研究ではGaP)に数V程度の電圧を印加して電流を流すことによって発光が得られる．しかし，使用する電極材料によっては，GaPに電圧を印加しても適切な量の電流を流すことができない状態になるため，GaPを使って発光デバイスを作製するには，GaPと金属の境界で適切な電流－電圧特性が得られる金属電極を形成しなければならない．一般に，GaPに良好な電極を形成するには金(Au)をベースにした金属が用いられるが，本研究では金より安価で比較的入手しやすいインジウム(In)をベースにした金属を使ってGaPに良好な電極が形成できるか試みた．その結果，n型GaPにはIn，p型GaPにはインジウム・亜鉛合金(InZn)を用いることで，印加した電圧と流れる電流が線形に変化する良好な特性が得られた．さらに，Inは融点が約157℃と金属としては非常に低いため，In及びInZnを使ってGaPに電極を形成する際に，通常必要となる真空を要する工程を使うことなく，大気環境の状態でGaPに良好な金属電極を形成できる簡易な工程が確立できた．
このように，In系金属を使うことによってGaPに簡易な工程で良好な電極を形成できる見通しが得られたことから，本研究課題の研究目的に対する本年度までの達成度は，おおむね順調に進展していると言える．
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度の取り組みによって，半導体発光デバイス作製教材を開発する上で必要となる適切なIII-V族化合物半導体を選定し，また，克服しなければならない課題の一つであった，発光デバイスの母材となるIII-V族化合物半導体(本研究ではGaP)へ良好な電流-電圧特性を示す金属電極を，In系金属を用いることで簡易な作製工程で形成できる見通しが得られた．この得られた成果を基にして，今後，可視光域で発光するGaP発光ダイオード(GaP-LED)の作製を試みる．
GaP-LEDを作製するには，負の電荷を帯びた電子の多いn型GaP基板上に，正の電荷を帯びた正孔の多いp型GaP層を形成し，さらに発光中心となる窒素などの不純物を含有したGaP発光層を形成しなければならないため，これまで本研究代表者が太陽電池及びMOS電界効果トランジスタの作製で確立してきた不純物拡散層形成技術を基にして，p型GaP層及びGaP発光層の形成を試みる予定である．
そして，n型GaP基板にはIn，p型GaP層にはInZnで電極を形成し，GaP-LED構造を作製し，電流－電圧特性及び発光特性などを評価する予定にしている．
|
| Causes of Carryover |
本研究は立案した研究計画に従って，おおむね順調に進展しているが，購入予定だった備品及び消耗品の購入・導入を研究を進めるにあたって再検討するなどしたため次年度使用額が生じた．
半導体発光デバイス作製教材の開発には，半導体発光デバイスの母材の半導体であるGaP基板，電極材料，不純物拡散剤，薬品など多くの消耗品が必要となり，また学会などで研究成果を発表する機会もあることから，主にそのような用途に使用する予定である．
|
Research Products
(2 results)
