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ワイドギャップ半導体光受動素子・pn接合素子のモノリシック集積化UV分光器の実現

研究課題

研究課題/領域番号 10J05864
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 応用物性・結晶工学
研究機関京都大学

研究代表者

渡辺 直樹  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2010 – 2012
研究課題ステータス 完了 (2012年度)
配分額 *注記
2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
2012年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2010年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワードシリコンカーバイド / フォトダイオード / 高温動作 / 光吸収係数 / 温度依存性 / シリコンカーバイド(SiC)
研究概要

本研究で提案している超小型UV分光器を実現するために必要なデバイスである、高温動作シリコンカーバイド(SiC)pnフォトダイオードの実現に向けて研究を行った。そのようなデバイスを正確に設計するためには高温におけるSiC光吸収係数の温度依存性のデータが必要となるが、SiCについては報告例がほとんどない。そこで本研究では、室温から300℃の範囲でSiCの光吸収係数を測定し、その温度依存性を明らかにした。また、SiCpnフォトダイオードの高温動作を目指し、デバイスの作製と600℃の高温までの電気的特性の評価を行った。
光吸収係数の測定では、温度上昇とともに光吸収係数の波長分散は長波長側へシフトし、ある波長に着目すると光吸収係数が増大するという結果が得られた。間接遷移型半導体であるSiCの光吸収はフォノンを介した遷移であるため、この結果は温度上昇によるバンドギャップの減少とフォノン数の増大によるものだと考えた。それを考慮に入れて理論式とフィッティングを行うと、測定値とよく一致する結果が得られ、温度変化によるバンドギャップの変化とフォノン数の変化を合わせたモデルを用いることで、実験結果を定性的に説明することができた。
高温でのデバイス動作の評価では、室温から600℃の温度範囲では逆方向リーク電流がデバイス周囲長に比例しており、リーク電流の起源はSiCバルク中でのキャリア生成ではなく、メサ側面やメサ周囲におけるキャリア生成であることを見出した。表面パッシベーションの工夫により、リーク電流を約20倍低減することに成功した。さらにデバイスの分光感度特性を測定し、高温500℃におけるSiCpnフォトダイオードの動作を実証した。
今後、SiCpnフォトダイオード上に熱光学効果型波長可変フィルタを形成することにより提案している分光器を実現可能である。

報告書

(3件)
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 2010 実績報告書
  • 研究成果

    (5件)

すべて 2013 2012 2011

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] 4H-SiC pn Photodiodes with Temperature-Independent Photoresponse up to 300℃2012

    • 著者名/発表者名
      Naoki Watanabe, 他
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 5 号: 9 ページ: 94101-94101

    • DOI

      10.1143/apex.5.094101

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 500℃動作SiC pnフォトダイオード2013

    • 著者名/発表者名
      渡辺直樹
    • 学会等名
      2013年春季応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学(神奈川)
    • 年月日
      2013-03-28
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Optical Absorption Coefficients of 4H- and 6H-SiC at Elevated Temperatures for Photodetector Design2012

    • 著者名/発表者名
      Naoki Watanabe
    • 学会等名
      9th European Conference of Silicon Carbide and Related Materials
    • 発表場所
      Hotel Saint-Petersburg (ロシア)
    • 年月日
      2012-09-03
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Temperature-independent photoresponse in 4H-SiC pn photodiodes by applying reverse-bias voltage2011

    • 著者名/発表者名
      渡辺直樹
    • 学会等名
      International Conference of Silicon Carbide and Related Materials
    • 発表場所
      Cleveland, Ohio, USA
    • 年月日
      2011-09-15
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 逆バイアス印加を用いた感度温度無依存4H-SiC pnフォトダイオード2011

    • 著者名/発表者名
      渡辺直樹
    • 学会等名
      応用物理学会
    • 発表場所
      山形大学(山形県)
    • 年月日
      2011-08-31
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2010-12-03   更新日: 2024-03-26  

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