2013 Fiscal Year Annual Research Report
希土類添加窒化物半導体における赤色発光機構の解明／制御による高輝度発光素子の開発
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24226009
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤原 康文 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10181421)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 博 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (30133929)
小泉 淳 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30418735)
寺井 慶和 鹿児島大学, 理工学研究科, 准教授 (90360049)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 希土類元素 / エネルギー輸送機構 / 局所構造 / オプトロニクス |
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| Research Abstract |
研究代表者は、従来の発光ダイオード(LED)とは全く発光原理が異なる、ユウロピウム(Eu)添加GaNを用いた窒化物半導体赤色LEDの開発に、世界に先駆けて成功している。本研究では、究極のナノテクノロジーである、半導体への原子レベル制御Eu添加手法を基盤とし、計算機ナノマテリアルデザイン手法との強力な有機的連携のもとに、Eu励起機構の解明と制御に立脚して、日本発オリジナルである「Eu添加窒化物半導体を用いた赤色LED」の高輝度化を達成することを目指す。
今年度はEu添加GaNに関して、昨年度に引き続き、「励起・緩和に関わるエネルギー輸送機構の解明（課題１）」を行うとともに、「不純物共添加（同時ドーピング）効果の解明（課題２）」に取り組んだ。（１）励起波長を連続的に変えながらEuイオンを直接、共鳴的に励起（直接励起）するCombined Excitation-Emission Spectroscopy (CEES)法により周辺局所構造の異なる、少なくとも８種類のEu発光中心が共存することは既に明らかにしている。各種基板上のEu添加GaNのEu発光特性を調べた結果、発光中心形成の様子は大きく変化しないものの、GaN母体からのエネルギー輸送効率が基板からの歪みに強く依存することを明らかにした。（２）Eu,Mg共添加試料において複数のEu発光中心が新たに形成されることは既に明らかにしている。電子線照射により、その発光強度が相補的に変化する現象を新たに観測した。第一原理計算による理論との比較により、その現象はMgに付随する水素の移動に起因することを明らかにした。（３）Eu,Mg共添加試料において新たに形成されるEu発光中心は窒素雰囲気での熱処理により消失することは既に明らかにしている。Siをさらに共添加することにより、Eu-Mg-Siに起因する新たな発光中心の形成を観測した。また、その発光中心は熱処理に対して安定であることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
Eu添加GaNに対する国際共同研究が軌道に乗り、（１）原子レベルで制御して「ソフト」にEuをGaNへ添加する技術、（２）Eu添加GaN中に形成されるEu局所構造を、Eu発光特性と関連づけて明確に評価する技術、（３）第一原理計算によりGaN中で形成されるEu局所構造とその安定性を評価する技術が三位一体となり機能し始めた。その結果として、本研究課題で取り上げる「GaN 母体からEu へのエネルギー輸送」の鍵を握る、励起効率の高いEu局所構造の全貌が明らかになりつつあり、結晶成長・不純物添加条件との関連について定量的な指針を得ることができるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度以降は、これまでの研究課題を継続的に発展させながら、その知見を活用して研究のフェイズを「エネルギー輸送機構の制御と実デバイスでの実証」へ移す。
【課題２】不純物共添加（同時ドーピング）効果の解明： 【課題１】で明らかにしたGaN母体からEuイオンへのエネルギー輸送機構を制御し、Eu発光の高輝度化を達成する。我々は既に、マグネシウム(Mg)をEuとともにGaNへ共添加することにより、Eu-Mg複合発光中心（Eu原子の周辺にMgが配置した局所構造）に起因する新しいEu発光が生じること、Mgに束縛された水素がEu-Mg発光中心の励起機構を支配していること、Siを共添加することによりEu-Mg発光中心の安定化が図れることを明らかにした。本研究では、よりエネルギー輸送が促進される元素の探索を行う。一方、GaNへEuと不純物を共添加することにより、エネルギー輸送過程の鍵を握るバンドギャップ内でのトラップ深さが変化することが予測される。昨年度、立ち上げたDLTS測定システムを用いて、その様子を定量的に評価する。本課題で得られた成果を基に、実際にLEDを作製し、その高輝度化を確認する。
【課題３】人為的に形成されたナノ超構造へのEu添加効果の解明： 定性的に考えられている、半導体に添加された希土類イオンの励起・緩和機構を考慮すると、励起（注入）された電子・正孔が空間的に局在することがエネルギー輸送効率を高めることが期待される。本研究では、AlGaN中に形成された高品質なGaN量子井戸へのEu添加を「ボトムアップ的に」行う。GaN層の厚みをパラメータとして、量子井戸構造からEuイオンへのエネルギー輸送特性を評価し、解明する。また、LED特性の高輝度化を確認する。
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