2021 Fiscal Year Research-status Report
六方晶窒化ボロン半導体の直接遷移型化と深紫外励起子発光ダイナミクスの研究
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20K20993
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
秩父 重英 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 和彦 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80202266)
小島 一信 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30534250) [Withdrawn]
嶋 紘平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40805173)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 窒化ボロン / 間接遷移 / 直接遷移 / 深紫外線 / 時間分解分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
六方晶層状窒化ボロン(hBN)は禁制帯幅約6eVの超広禁制帯幅(UWBG)半導体であり、間接遷移型半導体ながら230 nm以下の発光を呈すため深紫外(DUV)光源用材料として期待できる。ごく最近単一原子層六方晶BN（mBN）やBernal型層状BN(bBN)の禁制帯が直接遷移型となる事が報告されたが、検証する基礎研究が必要である。しかしながらUWBG半導体のパルス励起は困難であり発光ダイナミクス研究自体が極めて少ない。本研究の目的は、mBNやbBNの発光機構を明らかにすることである。
2021年度は以下の項目を実施した。
(1)原料ガスのNH3およびBCl3を反応管に導入するタイミングがhBN薄膜の形成に大きな影響を与えることを明らかにした。特に、同時供給の場合に結晶性、発光特性ともに大幅に改善されることがわかった。一方、 NH3先行供給は成長を阻害した。また、金属初期層による成長モードの制御も試み、Ni層上では、(i)凝集したNi粒上で横方向成長、(ii) 粒周囲で粒に沿った成長、および(iii) 粒と粒の間で柱状成長の、3つの異なる機構で成長していることがわかった。次年度は、これらの結果を活用し、layer by layer 成長に適した基板表面上においてNiを成長核としたmBNの作製を目指す。
(2)発光機構解明に用いるフェムト秒パルスDUVレーザの光学部品を刷新して高出力化と安定化を行い、hBNの時間分解フォトルミネッセンス測定を7～300 Kで実施して励起子発光ダイナミクスの温度依存性を取得した。
(3)フェムト秒パルス電子線を用いる時間分解カソードルミネッセンス（CL）計測の予備実験として連続電子線による広域CL測定を実施した。1μm厚のBN薄膜に加え、従来6層以下では計測が困難であったmBNのCL測定を実現した。
(4)フェムト秒パルス電子線を集束して用いる時間・空間同時分解蛍光計測系に電子線減速機構を付加して低加速電圧計測系を立ち上げ、hBN薄膜の空間分解CL測定を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度は材料開発と装置の整備を終えて薄膜計測を完了する予定であったが、主としてコロナウイルス感染防止対策のため実験回数が稼げず、交付申請書に記した実施計画どおりには研究が進展しなかったため(3)の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
交付申請書に記載した実施計画どおり、静大原和彦教授グループは低炭素濃度単層hBNの製膜を行い、東北大は時間分解や空間分解発光計測を行って励起子の輻射・非輻射再結合寿命の温度依存性や空間不均一性を定量化する。これにより発光機構を解明し、それらデータを原教授にフィードバックして結晶成長の最適化の指針を与える。2022年3月16日の地震によって励起用のフェムト秒チタンサファイヤレーザが壊れたため、早急に補填をして研究を遂行する。
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| Causes of Carryover |
2021年度もコロナウイルス感染症対策のため実験スピードが稼げなかったため期間の延長を希望した。その研究遂行上必要となるため消耗品や解析、分析の予算を残した。
研究分担者による結晶成長はほぼ予定通り進行しており、それら試料群の静的発光スペクトル計測や時間分解発光計測による測定結果も得られ始めており、それらに基づく考察から結晶成長へのフィードバックも進めてきているので、予算消化は予定通りに終了する。
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Research Products
(7 results)
