半導体中の希土類元素の発光メカニズムとその応用に関する研究

1990 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 01550240
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 木村 忠正 電気通信大学, 電子工学科, 教授 (50017365)
• 研究分担者: 湯郷 成美 電気通信大学, 電子工学科, 助手 (80017392) ; 河野 勝泰 電気通信大学, 電子工学科, 助教授 ; 中田 良平 電気通信大学, 電子工学科, 教授
• キーワード: エルビウム / エレクトロルミネッセンス(EL) / フォトルミネッセンス(PL) / 希土類元素 / 電子衝突励起 / 光デバイス / イオン注入法 / IIIーV族半導体

研究概要

IIIーV族半導体中にド-プした希土類元素は、固体レ-ザと同様に優れた発光スペクトルを示す。この優れた特性を持つ新しい発光デバイスを実現する上で、発光強度並びに発光効率の向上が必要となる。そのためには半導体中に励起された電子・正孔対の再結合エネルギ-が希土類元素の4f内穀電子に伝達、励起する過程(励起過程)、及び励起された4f内穀電子の緩和過程のメカニズムの解明が課題となる。以上の問題点を解決するためにEr:GaAs及びEr:lnPの系を用いて励起メカニズムの異なる励起方法(電界発光)を試み、比較検討を行った。
ド-ピング方法にはイオン注入法を用いることにより、高濃度でかつ高純度のド-ピングが制御性良く行える。これに加え、長時間のアニ-ル処理を行う事により高濃度(10^<20>/cm^3)のド-ピングを可能にした。その結果、Er:lnP系において1.54umのErの4f内穀電子の電界発光(Electroluminescence:EL)を観測し、その励起メカニズムが電界で加速された電子の衝突励起であることを示した。また電子・正孔対の再結合エネルギ-の伝達励起過程(Photoluminescence:PL)に比べ、温度上昇に伴う発光効率の低下が著しく小さく、室温以上(360K)においても発光が観測された。励起された4f内穀電子の緩和過程は同じであると考えられるので、このことは電子・正孔対の再結合エネルギ-の伝達励起過程が大きく温度に依存し、また励起過程が発光効率に大きな影響を与えることを示す。
この結果の意味するところは大きい。まず第一に電界発光の発光デバイスへの応用である。電界発光は、現在ELパネルに応用されており、蓄積された技術があるので、新たな発光デバイスへの期待が持たれる。第2に電子・正孔対の再結合エネルギ-による4f内穀電子の発光過程の解明への応用である。発光過程における励起過程及び緩和過程を、既知の励起過程(電子衝突励起)を利用して分離することにより緩和過程の評価ができる。今後この第2の点に注目し、加えて蛍光寿命の測定による緩和過程の評価に基づき、4f内穀電子の励起及び緩和過程の解明、及び発光効率の向上、そして最終的に新しい発光デバイスの実現を目指す。

研究成果

• [文献書誌] H.Issiki,H.Kobayashi,S.Yugo,T.Kimura and T.Ikoma: "1.54μm Electroluminescence by Electron Impact Excitation of Er Atoms Dosed in InP" Extended Abstracts of the 22nd Conf.on SSDM,Sendai. 605-608 (1990)
• [文献書誌] H.Issiki,H.Kobayashi,S.Yugo,R.Saito,T.Kimura and T.Ikoma: "Emission of The 1.54μm Erーrelatede Peaks by Impact Excitation of Er Atoms in InP and Its Characteristics" SPIE's International Conference on Physical Concepts of Materials for Novel Optoelectronic Device Applications,Aachen. (1990)
• [文献書誌] H.Isshiki,H.Kobayashi,S.Yugo,T.Kimura and T.Ikoma: "Impact excitation of the Erbiumーrelated 1.54μm luminescence peak in Erbiumーdoped InP" Appl.Phys.Lett.58. 484 (1991)
• [文献書誌] H.Isshiki,H.Kobayashi,S.Yugo,T.Kimura and T.Ikoma: "1.54μm electroluminescence by electron impact excitation of Er atoms doped in InP" Jpn.J.Appl.Phys.,Part2,Letters. 30. L225-227 (1991)
• [文献書誌] 小林 仁、一色 秀夫、湯郷 成美、斎藤 理一郎、木村 忠正、生駒 俊明: "IIIーV族半導体中のErの発光スペクトルへのV族原子の影響" 第51回応用物理学会学術講演会. 1089 (1990)
• [文献書誌] 一色 秀夫、小林 仁、湯郷 成美、斎藤 理一郎、木村 忠正、生駒 俊明: "Erド-プInPの電子衝突励起エレクトロルミネッセンス" 第51回応用物理学会学術講演会. 1090 (1990)