| 研究領域 | 特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス |
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| 研究課題/領域番号 |
16H06428
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
山田 陽一 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (00251033)
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| 研究分担者 |
倉井 聡 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (80304492)
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| 研究期間 (年度) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| キーワード | 結晶特異構造 / 混晶不均一系 / 低次元不均一系 / 局在効果 / 励起子分子 / 内部量子効率 / 窒化物半導体 / 励起子工学 |
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| 研究実績の概要 |
混晶における組成揺らぎや低次元構造における量子サイズ揺らぎなど、構造的不完全性に起因した結晶特異構造に着目し、不均一局在系における高密度励起子系の輻射再結合過程に関する実験的研究を行った。InxGa1-xN混晶不均一系では、高Ga組成領域において混晶組成比の異なる複数の混晶薄膜から励起子分子の輻射再結合過程による発光線を観測し、励起子分子結合エネルギーの混晶組成比依存性を明らかにした。この励起子分子の発光線は通常のマクロスコピックな分光測定では観測されず、空間分解能30 nmの近接場光学顕微分光測定により観測された。混晶組成比x<0.1の領域で励起子分子結合エネルギーは16 meV程度に達しており、この値はGaNにおける励起子分子結合エネルギー（5.6 meV）の約3倍である。励起子分子結合エネルギーの混晶組成比依存性は、AlxGa1-xN混晶不均一系の場合と同様にアロイブロードニングの傾向に一致していることから、局在効果により結合エネルギーの増大が生じていることを明らかにした。
次に、不均一局在系における励起子系の輻射および非輻射再結合レートを導出する上で内部量子効率の値が必要となることから、励起子レート方程式を用いた発光効率曲線のフィッティング解析により信頼性の高い内部量子効率の導出法を検討した。結晶の基底準位、励起子準位、非輻射再結合中心準位の3準位からなる輻射・非輻射再結合モデルを用いた解析を行い、実験的に観測された励起子密度の増加に伴う発光効率の増大は非輻射再結合中心の充填によるものであることを明らかにした。この励起子レート方程式を用いたフィッティング解析により発光効率曲線の規格化の妥当性を検証することが可能となり、内部量子効率導出の精度が向上したものと考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
InxGa1-xN混晶不均一系に関して、高Ga組成領域において混晶組成比の異なる複数の薄膜から励起子分子発光の観測に成功した。その結合エネルギーの混晶組成比依存性は、AlxGa1-xN混晶不均一系と同様にアロイブロードニングの傾向に一致しており、混晶不均一系における励起子分子に対する局在効果の普遍的な理解につながる成果であると考えている。また、励起子レート方程式を用いた発光効率曲線のフィッティング解析により内部量子効率の導出精度は向上したものと考えられ、年度初めに立案した研究実施計画はほぼ達成されたものと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度は不均一局在系における励起子系の局在機構の詳細と非輻射再結合過程の不活性化機構、さらにはそれら局在機構と不活性化機構との相関の解明に取り組む。InGaN混晶不均一系では、その量子井戸構造において貫通転位を起点として形成される成長ピットに起因したポテンシャル障壁形成モデルが提案され、青色発光領域における内部量子効率改善への有効性が指摘されている。しかしながら、このポテンシャル障壁が緑色発光領域においても非輻射再結合中心の不活性化に有効であるかどうかに関しては試料依存性などを含めて議論が不十分である。本研究では、近接場光学顕微分光法による高空間分解下での局所的発光分光測定に加えて、比較的広い領域に対する顕微分光評価が可能なカソードルミネッセンス測定を組み合わせることにより、青色～緑色発光領域におけるポテンシャル障壁形成モデルの妥当性を検証する。その上で、不均一局在系における励起子系の局在機構と非輻射再結合過程の不活性化機構との相関を解明する。
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