シリコンのナノメートル微結晶を用いた高輝度発光ダイオードの開発

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06555002
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 金光 義彦 筑波大学, 物理学系, 講師 (30185954)
• 研究分担者: 三村 秀典 (株)エイ, ティ・アール光電波通信研究所, 主任研究員 ; 松本 貴裕 新日本製鉄(株), エレクトロニクス研究所, 研究員
• キーワード: シリコン / 可視発光 / ナノ微結晶 / ダイオード / 量子サイズ効果

研究概要

電気化学エッチングにより作製されたシリコン超微細構造であるポーラスシリコンの発光メカニズムを解明した。その基礎的な研究成果に基づいてナノメートル微結晶を用いた高効率の赤、緑、青色発光ダイオード素子を試作した。ナノメートル微結晶においては、構成原子数が少なくなることにより現れる「量子サイズ効果」と表面原子数が多くなることによる「表面効果」が絡み合って複雑な光学応答を示す。微結晶内部が関与した発光と微結晶表面が関与した発光とに実験的に分離し、高効率発光素子の設計指針を得た。特に、表面構造を正確に制御することにより、世界に先駆けて赤色から青色の発光を得ることに成功した。さらに、ポーラスシリコン/微結晶SiCヘテロpn接合ダイオードを試作し、発光効率を約10^<-3>%程度まで上昇させることができた。しかし、発光ダイオードとして実用化するためには約1%に発光効率を上げる必要がある。赤色以外の緑、青色の発光素子の開発の可能性も行ったが、その発光効率は非常に低かった。発光効率を向上させる目的で、溶液中で電荷注入層を作製することを検討した。Si微結晶・ポーラスシリコンを用いた高輝度・マルチカラーデバイスの実用化の可能性が高いことを実験的に示した。さらに、光非線形性材料としてポーラスシリコンが優れていることを発見した。

研究成果

• [文献書誌] Y. Kanemitsu: "Visible Photoluminescence from Silicon-Backbone Polymers" Physical Review B. 51. 13103-13110 (1995)
• [文献書誌] Y. Kanemitsu: "Luminescence Properties of a Cubic Silicon Cluster Octasilacubane" Physical Review B. 51. 10666-10670 (1995)
• [文献書誌] Y. Kanemitsu: "Third-Order Nonlinear Optical Susceptibility and Photoluminescence in Porous Silicon" Physical Review B. 52. 10752-10755 (1995)
• [文献書誌] 三村秀典: "ポーラスシリコンの電界発光とその応用" 固体物理. 30. 970-977 (1995)
• [文献書誌] Y. Kanemitsu: "Light Emission from Porous Silicon and Related Materials" Physics Reports. 263. 1-91 (1995)
• [文献書誌] T. Matsumoto: "Electroluminescence from Electrochemically Polished Silicon" Japanese Journal of Applied Physics. 34. L1318-L1321 (1995)
• [文献書誌] Y. Kanemitsu: "Optical Properties of Low-Dimensional Materials" World Scientific(印刷中), (1996)
• [文献書誌] Y. Kanemitsu: "Spectroscopy of Isolated and Assembled Semiconductor Nanocrystals" Elsevier(印刷中), (1996)