間接遷移型半導体による発光の研究

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05302034
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 佐々木 昭夫 京都大学, 工学部, 教授 (10025900)
• 研究分担者: 伊藤 利道 大阪大学, 工学部, 助教授 (00183004) ; 越田 信義 東京農工大学, 工学部, 教授 (50143631) ; 舛本 泰章 筑波大学, 物理学系, 教授 (60111580) ; 白木 靖寛 東京大学, 先端科学技術センター, 教授 (00206286) ; 柊元 宏 東京工業大学, 工学部, 教授 (50013488)
• キーワード: 間接遷移型半導体 / 発光 / グリルアン領域折り返し / 人工局在準位 / 不規則超格子 / サイズ効果 / 量子効果

研究概要

本研究では、独自の物理効果、手法によって、間接遷移型半導体により直接遷移型半導体と同等の強さの発光を実現し、これまで間接遷移型半導体は発光デバイスに使えないという固定観念を打ち破り、電子工学、光電子工学において、材料面からの大きな変革を実現することを目的としている。具体的にはブリルアン領域折り返し、人工局材準位の形成、微細構造等による各種量子効果、閉じ込め効果、サイズ効果、界面効果によるSi/Ge,AlP/GaP,Ge,Si等の間接遷移型半導体の強い発光を目指した。今年度得られた研究成果は以下の通りである。(i)第一原理計算に基づき(GaP)_m(AlP)_n超格子の電子構造を調べ、m+n=5において(GaP)_m(Alp)_<5-m>(m=3,4)超格子はGaP基板上で直接遷移型になることを見いだした(池田)。(ii)MOVPE法を用いて(AlP)_m(GaP)_m(2〈m〈10)超格子を作製した。これらの試料からのPL特性はmが小さくなるほど短波長域で発光すること、さらに同組成の混晶と比較すると100倍程度強い発光が得られた。このことからバンド折り返しによる直接遷移化が起こっている可能性が示された(柊本)。(iii)MBE法を用いて(Al_xGa_<1-x>As)_m(Al_yGa_<1-y>As)_n不規則超格子を作製し、種々のx,y組成に対するPL温度特性を調べた。この結果、まず、比較のため作製した規則超格子に比べて不規則超格子はその発光強度が極めて強い(77Kにおいて約1000倍)こと、また温度消光の度合いが非常に小さいことを見い出した。さらにToなる特性温度を用いて不規則度に対する発光強度の温度消光を検討した結果、バンド不連続が大きい程かつまたm,nに基づく不規則度が大きい程、温度消光が小さくなることを見いだした(佐々木)。(iv)Siを種々の条件で陽極酸化し、その発光特性を評価した。酸化とともに発光のブルーシフトが増加しやがて飽和することから、量子効果に加えて、やがて界面における局在効果が現れてくることが判明した(伊藤、越田)。(v)作製条件によっては、ポーラスSiはその吸収スペクトルはサイズとともにブルーシフトするが、発光ピークは変化しないことがあることを見いだした。これは、ポーラスSiが量子効果がおこるSi微結晶やそれを取り囲むアモルファス相からなる複雑系であることに起因することを示した(舛本)。(vi)SiGe/Si量子井戸をMBE法により作製し、その発光特性を詳細に検討した。SiGe量子井戸に捕獲された正孔が電子を引き寄せエキシトンを形成することにより強い発光が得られることを見いだした(白木)。(vii)Si/Ge系超格子を作製する上で重要となる界面の急峻性を得るために種々の材料のサーファクタント効果を検討しその効果を明らかにした(坂本)。
以上の研究成果については研究討論会において相互に議論を行った。これにより、間接遷移型半導体においてより強い発光を得るために必要な今後の研究の方向付けを行うことができた。

研究成果

• [文献書誌] Xue-Lun YANG,Akihiro YAKAHARA,and Akio SASAKI: "Strong Photoluminescence from AlP/GaP Disordered Superlattice Grown by Atmospheric Pressure Organometallic Vapor Phase Epitaxy Using Tertiarybutylphosphine" Appl.Phys.Lett.62. 888-890 (1993)
• [文献書誌] Akio Morii et al.: "Optical properties of AlP-GaP short-period superlattices" Solid-State Electronics,to be published. (1994)
• [文献書誌] S.Fukatsu,N.Usami,and Y.Shiraki: "Luminescence in strained Si_<1-x>Ge_x/Si quantum wells" Japanese Journal of Applied Physics. 32. 1502-1507 (1993)
• [文献書誌] S.Fukatsu,N.Usami,and Y.Shiraki: "Luminescence from Si_<1-x>Ge_x/Si quantum wells grown by Si molecular beam epitaxy" Journal of Vacuum Science and Technology. B11. 895-898 (1993)
• [文献書誌] S.Fukatsu,N.Usami,Y.Shiraki,A.Nishida,and K.Nakagawa: "High temperature operation of strained Si_<0.65>Ge_<0.35>/Si(111)p-type multiple-quatum-well light emitting diode grown by solid source Si molecular beam epitaxy" Applied Physics Letters. 63. 967-969 (1993)
• [文献書誌] S.Fukatsu,and Y.Shiraki: "Optical investigation of interwell coupling in strained Si_<1-x>Ge_x/Si quantum wells" Applied Physics Letters. 63. 2378-2380 (1993)
• [文献書誌] N.Usami,S.Fukatsu,and Y.Shiraki: "Aprupt compositional transience in strained Si_<1-x>Ge_x/Si quantum well structures grown by segregant-assisted growth using an Sb adlayer" Applied Physics Letters. 63. 388-390 (1993)
• [文献書誌] Y.Masumoto: "Optical Properties and New Functionality of Nanocrystalline CuCl and Ge" Mat.Res.Soc.Symp.Proc.283. 15-26 (1993)
• [文献書誌] Y.Kanemitsu: "Photochemical Etching Effects on Optical Properties of Porous Silicon" Mat.Res.Soc.Symp.Proc.283. 221-226 (1993)
• [文献書誌] N.Koshida and H.Koyama: "Optoelectronic Characterization of Porous Silicon(Invited)." Mater.Res.Soc.Symp.Proc.283. 337-342 (1993)
• [文献書誌] H.Koyama et al.: "Electrical Quenching of Photoluminescence from Porous Silicon." Appl.Phys.Lett.62. 3177-3179 (1993)
• [文献書誌] Y.Uchida et al.: "Paramagnetic Center in Porous Silicon:A Dangling Bond with C_<3V> Symmetry." Appl.Phys.Lett.63. 961-963 (1993)
• [文献書誌] N.Koshida et al.: "Visible Electroluminescence from Porous Silicon Diodes with an Electropolymerized Contact." Appl.Phys.Lett.63. 2655-2657 (1993)
• [文献書誌] N.Koshida et al.: "Optical Characterization of Porous Silicon by Synchrotron Radiation Reflectance Spectra Analyses." Appl.Phys.Lett.63. 2774-2776 (1993)
• [文献書誌] H.Koyama and N.Koshida: "Photo-Assisted Tuning of Luminescence from Porous Silicon." J.Appl.Phys.74. 6365-6367 (1993)
• [文献書誌] H.Koyama and N.Koshida: "Electrical Properties of Luminescent Porous Silicon(Invited)." J.Luminescence. 57. 293-299 (1993)
• [文献書誌] N.Koshida: "Optoelectronic Properties of Porous Silicon." Proc.NATO Advanced Res.Workshop(Kluwer Acad.). 133-138 (1993)
• [文献書誌] Y.Suda et al.: "Surface Structures and Photoluminescence Mechanism of Porous Silicon." Jpn.J.Appl.Phys.33. 830-834 (1994)
• [文献書誌] 越田信義・小山英樹: "シリコンの発光現象" 電子情報通信学会誌. 76. 498-501 (1993)
• [文献書誌] Toshimichi Ito: "Aging phenomena of light emitting porous silicon" J.of Luminescence. 57. 331-339 (1993)
• [文献書誌] 本井見二: "可視発光多孔質シリコンの陽極酸化処理効果" 電子情報通信学会技術報告. 93(369). 15-20 (1993)
• [文献書誌] 山本拓郎: "PN接合多孔質シリコンの可視発光" 電子情報通信学会技術報告. 93(369). 29-34 (1993)
• [文献書誌] 新垣修: "水素プラズマ処理による酸化多孔質シリコンのPL・EL特性の安定化" 電子情報通信学会技術報告. 93(369). 35-40 (1993)
• [文献書誌] Toshimichi Ito: "Visible Photoluminescence from Anodically Oxidized Porous silicon" Jpn.J.Appl.Phys.33(発表予定). (1994)