エルビウム添加酸化亜鉛薄膜を用いた注入型赤外発光素子に関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650020
• 研究機関: 東洋大学
• 研究代表者: 小室 修二 東洋大学, 工学部, 教授 (90120336)
• 研究分担者: 森川 滝太郎 東洋大学, 工学部, 教授 (80191013)
• キーワード: 酸化亜鉛薄膜 / エルビウム / 希土類元素 / レーザーアブレーション

研究概要

今年度の研究実績は次のようにまとめられる。
1)酸化亜鉛に酸化エルビウムを添加したZnO:Er_2O_3(Er添加量:9×10^<19>cm^<-3>)ターゲットを、1×10^<-2>Torrの酸素雰囲気中でKrFエキシマレーザーを用いたアブレーションを行い、Si基板あるいは石英基板上にZnO:Er薄膜を形成した。このアブレーション中に発生するレーザープルームを分光分析し薄膜形成におよぼすレーザー生成プラズマの活性種を測定した。その結果、Znは1価イオン(Zn^+)が観測されるものの、主に原子ラジカル(Zn*、Er*、O*)による発光線が支配的に観測された。このことから、ZnO:Er薄膜は原子ラジカルによって形成されていることを明らかにした。
2)ZnO:Er薄膜中に添加されたEr量を定量分析するために、蛍光X線分析を行った。蛍光X線の輝線強度比(ZnKβ/ErLα)は、ターゲットと作成された薄膜とにおいてほぼ一致することから、ターゲット中のEr(9×10^<19>cm^<-3>)が、原子ラジカルのEr*として基板に到達しZnO薄膜中に添加されていることを確認した。
3)ZnO:Er薄膜の化学結合状態を知るためにX線光電子分光測定を行った。その結果、Zn_<2p3/2>とO_<1s>のスペクトルの化学シフト量から評価した結果、Zn-O結合が確認された。また、Er_<4f>スペクトルよりEr-O結合の存在を確認した。このことは、Erは酸素と六配位で結合していることを示唆していると思われる。
4)Erの発光センターを活性化するために、ZnO:Er薄膜を大気圧の酸素雰囲気中で700℃、3分間の熱処理を施し、X線回折測定によりZnO:Er薄膜の結晶性を評価した。その結果、強いc-軸配向性を有し、Erの添加によりc-軸長が約0.8%伸張していることが明らかになった。これは、原子半径の大きなErの添加に起因すると思われる。
5)母材であるZnO(E_g=3.2eV)を励起するために、He-Cdレーザー(波長325nm)励起下における発光測定を行った。ZnOのバンド間発光が378.8nmに観測された。また、Erの赤外発光が、1.5377μmに観測された。Erの発光はEr^<3+>イオンの直接励起ではなく、間接励起によることが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] X.Zhao,H.Isshiki,Y.Aoyagi,T.Sugano,and S.Komuro: "Formation and device application of Er-doped nonocrystalline Si using laser ablation"Materials Science & Engineering. B74. 197-201 (2000)
• [文献書誌] X.Zhao,S.Komuro,H.Isshiki,Y.Aoyagi,and T.Sugano: "Fabrication and optical transition dynamics of Er-doped ZnO thin films formed on Si substrates"Journal of Luminescence. 87/89. 1254-1256 (2000)
• [文献書誌] S.Komuro,T.Katsumata,T.Morikawa,X.Zhao,H.Isshiki,and Y.Aoyagi: "1.54μm emission dynamics of erbium-doped zinc-oxide thin films"Applied Physics Letters. 76・6. 3935-3937 (2000)
• [文献書誌] S.Komuro,T.Katsumata,T.Morikawa,X.Zhao,H.Isshiki,and Y.Aoyagi: "Highly erbium-doped zinc-oxide thin film prepared by laser ablation and its 1.54μm emission dynamics"Journal of Applied Physics. 88・12. 7129-7136 (2000)
• [文献書誌] M.Ishii,Y.Tanaka,T.Ishikawa,S.Komuro,T.Morikawa,and Y.Aoyagi: "Site-selective x-ray absorption fine structure analysis of an optically active center in Er-doped semiconductor thin film using x-ray-excited optical luminescence"Applied physics Letters. 78・1. 183-185 (2001)