2015 Fiscal Year Research-status Report
タイプⅡヘテロ新材料の開拓とデバイス応用に向けた研究
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26420279
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
野村 一郎 上智大学, 理工学部, 准教授 (00266074)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | タイプⅡ超格子 / 光吸収スペクトル / 光起電力 / バンド不連続 / レーザ / キャリア注入 / ヘテロ界面 / ダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．ZnCdSe/BeZnTeタイプⅡ超格子において明瞭な光吸収特性を観測した。当該超格子をn形ZnCdSe層とp形BeZnTeで挟んだpinダイオードを作製し、単色光を照射しながら光起電力スペクトルを測定したところ、明瞭な光吸収スペクトルが得られた。例えば、各層厚が7分子層/7分子層の超格子では780nm近傍に吸収端が見られた。一方、この試料の発光特性では726nmのピーク波長が観測され、吸収端よりも0.1eV以上も高エネルギー側で発光することが示された。
２．ZnCdSeとBeZnTeの伝導帯におけるバンド不連続値を調べた。ノンドープBeZnTe層（200nm）をn形ZnCdSe層で挟んだninダイオードを作製し、電圧電流特性を測定した。得られた特性を理論値と比較することでZnCdSe/BeZnTeヘテロ界面における伝導帯バンド不連続値を見積もった。得られた値は1.9eVであり、これ以前に見積もられていた1.82eVに比べ若干大きいことが分かった。これにより今後の物性評価やデバイス設計に有益な情報が得られた。
３．理論解析によりレーザ構造の最適化を検討した。これまでのレーザは、活性層、バリア層、クラッド層から成る分離閉じ込めヘテロ（SCH）構造としていたが、この構造において活性層へのキャリア注入の理論解析を行ったところ、nバリア層が電子注入に対し障壁となり、活性層に殆どキャリアが注入されないことが示された。そこで、nバリア層を除去した構造を提案した。これにより効率よくキャリアが活性層に注入され、更に印加電圧も低減できることが分かった。一方、ｎバリア層を除去すると活性層への光閉じ込めが減少し、レーザ特性を劣化させてしまう懸念があったが、電磁界解析によりnバリア層除去の影響は微小であることが分かり、総合的にnバリア層のない構造がより理想的であることが示された。
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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
ZnCdSe/BeZnTeタイプⅡヘテロ材料の物性評価及びデバイス応用の検討が進み、おおむね順調に進展している。
ZnCdSe/BeZnTe超格子の光吸収スペクトルが観測され、吸収端等詳細な物性評価が行われた。これまで光吸収特性の評価は光透過吸収測定により行っていたが、干渉効果等により明瞭な特性が得られなかった。今回は、当該超格子をi層としたpinダイオード構造において光起電力を測定することで明瞭な吸収スペクトルが測定できるようになり、詳細な光学特性評価が可能になった。例えば、光吸収端から遷移波長が正確に見積もられ、理論値との比較や発光ピーク波長と関係について調べられるようになった。
また、本研究の特色の一つであるエネルギーバンド不連続の評価について進展があった。n-ZnCdSeとi-BeZnTeによるninダイオードの電気特性によりZnCdSeとBeZnTeの伝導帯におけるバンド不連続値が見積もられた。バンド不連続値の評価は、ZnCdSe/BeZnTe超格子のバンド間及びサブバンド間遷移波長の理論解析や当該超格子の設計、またデバイス構造の最適化等において重要であり、本研究の主要課題の1つである。また、この手法は他のヘテロ材料にも適用可能であり、更なる進展が期待される。
一方、デバイス構造の検討も進んだ。これまで作製した発光デバイスでは、十分な発光効率が得られず、印加電圧も高いことが問題であった。今回、デバイス構造の理論解析を行うことで構造上の問題点を抽出し、改善方法を見出した。具体的には、nバリア層が活性層への電子注入を妨げていることが分かり、これを除去することで注入効率が改善し、印加電圧も低減することが示された。実際にデバイスを作製し評価したところ、理論解析で予測された効果が実証された。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに引き続き物性評価及びデバイス応用に向けた検討を進める。
従来からのフォトルミネッセンス（PL）測定に加え、本年度から行っている光起電力測定やninダイオードを用いたバンド不連続の評価をより多くの材料系に適用し、未知パラメータの解明を目指すと共に材料及びデバイス設計に応用していく。例えば、層厚が異なるZnCdSe/BeZnTe超格子の光吸収端を光起電力測定により系統的に評価し、発光波長との関係や遷移波長の制御性、長波長限界、短波長限界等を調べる。また、高次のエネルギー準位での遷移波長の測定を行い、理論値と比較することでサブバンド間遷移波長を見積る。一方、様々な材料を組み合わせてninダイオードを作製し、バンド不連続値の評価を進める。これにより、当該材料系のバンドラインナップを系統的に調べ、デバイス設計に応用する。更に、得られる知見を基に新たなデバイス展開を検討する。
また、ZnCdSe/BeZnTe超格子の発光特性の評価を進める。PL発光の温度特性や時分解PLによる発光寿命時間、キャリア寿命時間等を測定し、発光効率について調べると共に波長依存性等についても検討する。一方、当該超格子を活性層に用いたダブルヘテロ構造(DH)を用いて光励起実験を行い、誘導放出特性を調べる。更に、サブバンド間遷移についても、評価に適した構造やデバイスを作製し、光吸収や発光特性について調べる。得られるデータを基に理論値との比較やデバイス応用に向けた検討を行う。
デバイス応用については、従来のLED、レーザに加え、太陽電池、共鳴トンネルダイオード及びサブバンド間遷移を用いた光検出器、変調器、カスケード発光素子等の検討を進める。デバイスを設計、作製し、構造や作製条件を改善することで特性向上を狙い、性能限界を見極める。
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| Causes of Carryover |
前年度に購入した消耗品の在庫を翌年に繰り越したため本年度は消耗品の購入を控えた。また、本年度の実験回数が当初の予定より少なかったため消耗品の使用量も予測より減少した。以上より、消耗品費の支出が予定よりも少なくなったため予算残が生じ、次年度に繰り越すことになった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度は消耗品の購入を控えたため次年度は不足が生じると考えられる。また、次年度は最終年度に当たるのでまとまった成果を得る必要があり、実験回数が増え、従って必要な消耗品もこれまでより増加すると予測される。以上より、次年度に繰り越した予算は主に消耗品費に充てる予定である。
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