2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creating science of vacuum-ultraviolet optical processes in semiconductors
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20H00246
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
藤田 静雄 京都大学, 工学研究科, 教授 (20135536)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾沼 猛儀 工学院大学, 先進工学部, 教授 (10375420)
太田 優一 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部開発第一部電気電子技術グループ, 副主任研究員 (50707099)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超ワイドギャップ半導体 / 酸化物半導体 / 真空紫外光 / 光物性 / 量子構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究の対象として、200nm以下ので発光を実証しているMgZnOをとりあげ、光物性の議論を支える高純度化を達成するために結晶成長装置の部品、原料、成長方法等について改良を加え、不純物の混入を低減する努力を行った。また、波長115 nmまでの光透過、反射測定可能なシステムを構築した。今年度の実績として得られた成果は以下のとおりである。
1. MgZnOで不明な現象とされている大きなストークスシフトは、装置等の改良後にもみられた。また同様の現象は、MgOにおいても観察された。よってこの現象は、混晶の組成揺らぎ等に基づくものではなく、欠陥等の他の要因に基づくものと考察された、
2. 岩塩構造MgZnOからの深紫外発光を産業応用するためには、安価な基板上へ成膜することで、低コスト化を図る必要がある。そこで合成石英基板上への成膜に取り組み、その発光特性を調査した。薄膜は多結晶にもかかわらず、190 nmに迫る発光が観測された。SEM-CL観察から、微結晶化することで、発光特性が変化することを見出した。波長160 nm近辺にてMgOの励起子に起因する遷移構造の観測に成功した。
3. MgZnO混晶の電子状態を計算した。混晶のバンド構造をアンフォールディング法によって解析し、各組成における遷移点の変化を明らかにした。またMgZnO混晶のバンドアライメントを推定することで、基板材料とのオフセット値やドーピングの可能性について検討した。Mgリッチの混晶ではp型化が困難であることを見出し、その課題を価電子帯の制御で克服する方法を提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
装置や成長方法等の改良により、MgZnO結晶中の不純物については低減できたと考えられ（SIMS等による実証が必要だが、そもそもSIMSの測定限界以下であり実証は困難）、光物性の学理を議論する体制となりえたと考えている。2020年度の研究におけるセレンディピティとして、石英基板上の多結晶MgZnOから高効率の深紫外発光が見られたことがあげられる。また、単結晶に比較してよりバンド単に近い波長での発光が見られた。この結果は、物性的にも応用的にも新しい道を拓いてくれるもので、今後の研究で注力してゆきたいと考えている。研究代表者、分担者が結晶成長、光物性評価、理論計算の各専門分野において強い協力をもって研究が遂行され、各種学会での招待講演の依頼など多くの研究者から支持を受けていることをあわせ、総じて、「おおむね順調に進展している」と自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
MgZnOの単結晶および多結晶の両方について結晶成長、光物性評価、理論計算を有機的に結合させた独自性の高い研究を遂行する予定である。具体的には、以下の方策を計画している。
1. 2020年度の構築した波長115 nmまでの光透過、反射、CL測定を6~300 Kで行うことのできる測定系を用いて、真空・深紫外線領域における光物性評価を遂行する。また、波長200 nm以上の領域に限られるが、既設のSEM-CL装置を用い、発光分布を観測し、結晶欠陥と発光との相関を調査する。さらに、真空紫外域での発光強度の定量化を図り、量子効率などに関する情報を取得する。得られた結果と第一原理計算の結果を比較検討し、岩塩構造MgZnOにおける発光メカニズムの解明を目指す。また、 電子線励起により波長200 nm以下での誘導放出を目指す。バンドギャップ6 eV以上(Mg組成0.8以上) の結晶を実現し、CL測定によって発光波長を明らかにする。
2. 石英管内部に成長した多結晶MgZnOの光物性を測定する。これをもとに、深紫外線ランプの原理を実証する。店頭方法は、石英管に内装したエキシマランプによる光励起と石英管そのものを放電ランプに加工する方法の両方を試みる。
3. MgZnOにおけるZn添加量を1%、0.1%、0.01%と極限まで減少させ、170、180 nm台での発光を目指す。また、MgO(100)基板の他に(111)、(110)のように面方位を変化させ、導入される欠陥の違いによる発光特性の変化を調査する。
4. 将来においてpn接合を実現するため、MgO-MgS混晶の電子状態を理論解析してp型実現への道筋を探る。
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Research Products
(9 results)
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[Presentation] 殺菌応用を目指した真空・深紫外線半導体発光材料の開発2021
Author(s)
尾沼猛儀, 工藤幹太, 小野瑞生, 橘直純, 橋本真里, 石井恭平, 太田優一, 金子健太郎, 山口智広, 藤田静雄, 本田徹
Organizer
応用物理学会関西支部2020年度第1回＋第2回合同講演会
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[Presentation] 岩塩構造MgZnO薄膜における深紫外PL寿命の評価2020
Author(s)
工藤幹太, 石井恭平, 小野瑞生, 金子健太郎, 山口智広, 嶋紘平, 小島一信, 藤田静雄, 本田徹, 秩父重英, 尾沼猛儀
Organizer
2020年応用物理学会秋季学術講演会
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