2022 Fiscal Year Research-status Report
Control of isoelectronic traps in ultra widegap semiconductor and realization of their vacuum UV emission
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22K04952
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
尾沼 猛儀 工学院大学, 先進工学部, 教授 (10375420)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 超ワイドギャップ半導体 / 酸化物半導体 / アイソエレクトロニックトラップ / ミスト化学気相堆積法 / 真空深紫外光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、超ワイドバンドギャップ酸化物半導体におけるアイソエレクトロニックトラップ制御により、150 nmから210 nm帯の真空紫外（VUV）、深紫外（DUV）域での発光の実現を目指している。アイソエレクトロニックトラップ制御としては、ミスト化学気相堆積法によりMgOへのZnドーピングを試みた。また、MgOやMgZnO薄膜へのAl、Ga、Inのドーピングを行いn型伝導性制御について検討した。今年度に得られた主な成果は以下のとおりである。
1. 添加量を1%まで0.1%ずつ変化させたZnドープMgO薄膜を成膜し光学的特性を評価した。反射スペクトルに観測された励起子共鳴構造から励起子遷移エネルギーを決定し、Znドープによるバンドギャップの変化を観測した。また極低温での発光測定から、Zn添加量の増加に伴う160 nm付近のバンド端付近の発光強度の減少と、170 nm付近のZnが関与すると考えられるアイソエレクトロニックトラップ発光強度の増加を観測した。得られた結果はZn添加によるアイソエレクトロニックトラップ形成を示唆している。
2. X線光電子分光法により岩塩構造MgZnO/MgO界面におけるバンドアライメント解析を行った。岩塩構造MgZnO/MgOはタイプⅠのバンドアライメントを示し、MgOを障壁層とした量子井戸形成に有利であることが分かった。
3. Al, Ga, In不純物を添加したMgOおよび岩塩構造MgZnO薄膜を成長した。Ga, Inを添加したMgO薄膜でバンド端付近の発光が観測され、バンドギャップ収縮による低エネルギーシフトと、裾状態の拡がりを反映した半値全幅の増加を観測した。これらの結果から、GaやInはMgO薄膜中でドナー不純物として振舞うことが示唆された。また、GaやInが関与するホール捕獲中心を介した発光も観られた。岩塩構造MgZnO薄膜のI-V-T測定では、欠陥や不純物準位を介したホッピング伝導が観られた。Alを3 mol%添加した岩塩構造Mg0.6Zn0.4O薄膜で、室温の抵抗率33.9 kΩ・cmが得られた。
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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
岩塩構造MgZnO薄膜では、MgOへのZnOを10％程度混晶化すると、発光ピークエネルギーに大きなストークス様シフトが現れ、200 nm以下で発光波長制御を行う上での妨げとなっている。今年度、新たにVUV域での反射スペクトル測定を進めたことで、母材となるMgOそのものの光物性が明らかとなると共に、Zn添加によるアイソエレクトロニックトラップ形成を示唆する結果が得られた。また、目的として単にVUV、DUV域での発光を得ることに留まらず、同波長域での発光デバイス実現に向け、Al, Ga, Inなどの不純物添加によるn型伝導性制御の試みに取り組むことができたことは、計画以上の成果を挙げたと考えることもできる。以上より、「おおむね順調に進展している」と自己評価します。
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| Strategy for Future Research Activity |
岩塩構造MgZnOを含めイオン結合性の大きな結晶で発光波長を制御するためには、アイソエレクトロニックトラップを含めたホール捕獲中心の振舞いを理解することは重要である。今後も、成膜ならびに光物性評価を継続するが、VUV、DUV域での発光デバイス実現に向けた取り組みも実施する。具体的には、下記の方策を計画している。
１．新たな評価法としてフォトルミネセンス励起スペクトル測定を導入し、発光に関与する状態を把握することで、ホール捕獲中心への理解を深める。
２．原料供給系を拡張し、岩塩構造MgZnO/MgO構造の形成を試みる。量子効果から等価内部量子効率の向上と発光波長の短波長化が期待できる。
３．Al, Ga, In不純物を添加したMgOおよび岩塩構造MgZnO薄膜の成長をさらに推し進め、抵抗率の低減を試みる。具体的には室温の抵抗率1 kΩ・cm以下を目指す。
４．原料供給系の拡張により、i-MgZnO/n-MgZnOなどのデバイス構造の連続成膜を試みる。
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