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2017 年度 実績報告書

深紫外線波長で巨大な励起子効果を発揮する窒化ボロン半導体の発光ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 16K14222
研究機関東北大学

研究代表者

秩父 重英  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)

研究分担者 小島 一信  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30534250)
原 和彦  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80202266)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード半導体物性 / 励起子 / フェムト秒電子銃
研究実績の概要

グローバルスケールの水不足問題解決や各種励起光源の小型化を目指して固体深紫外線光源の実現が期待されている。本研究では、禁制帯幅波長が深紫外線にある、六方晶窒化ボロン(h-BN)微結晶及びエピタキシャル膜における励起子の輻射・非輻射再結合ダイナミクスを明らかにして深紫外線発光素子を実現するため、(1)禁制帯幅の広い半導体を励起可能であるが発生困難なフェムト秒パルス電子線を発生し、(2)それをナノメートル台の微小領域に集束する、日本唯一の時間・空間同時分解蛍光計測(STRCL)装置を高機能化し、(3)h-BNの励起子発光寿命や空間分布の計測を行い発光機構の考察を行った。
平成29年度は、h-BN微結晶、エピ層における励起子発光過程を観測するため、表面を平坦化させた金塊を、走査型電子顕微鏡の電子銃位置に対し、被観測試料から見て反対側の離れた位置に設置してバイアスし、フェムト秒チタンサファイヤレーザの第3高調波を前面側から照射してフェムト秒パルス電子を発生させた。そして、このパルス光電子を多段電界加速機能と集束機能によってSEMの電子線源位置に導入し、電子線をナノメートル台の微小領域に集束させた。
上記のSTRCL装置を用いて、熱処理したh-BN微結晶及びサファイアc面上に化学気相堆積(CVD)法により堆積させたエピタキシャル薄膜の計測を行い、以下の結論を得た。(i)h-BNは間接遷移型半導体である。(ii)間接遷移でありながらよく光る原因は、巨大な励起子効果によるフレーリヒ相互作用が強く、フォノン散乱によって運動量保存則を満たせるから、また、ボーア半径が小さいので非輻射性欠陥に捕まりにくいからである。(iii)温度消光しにくいのも基本的には励起子効果である。(iv)以上の励起子発光ピーク以外に、欠陥による発光ピークの空間分布や発光ダイナミクスも計測できた。以上である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Nearly temperature-independent ultraviolet light emission intensity of indirect excitons in hexagonal BN microcrystals2018

    • 著者名/発表者名
      Chichibu Shigefusa F.、Ishikawa Youichi、Kominami Hiroko、Hara Kazuhiko
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 123 ページ: 065104~065104

    • DOI

      10.1063/1.5021788

    • 査読あり
  • [学会発表] Spatio-time-resolved cathodoluminescence of h-BN microcrystals2018

    • 著者名/発表者名
      S. F. Chichibu, Y. Ishikawa, H. Kominami, and K. Hara
    • 学会等名
      The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Photonics West 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 六方晶BNの薄膜成長とその深紫外発光評価2018

    • 著者名/発表者名
      原和彦,梅原直己,小島一信,秩父重英
    • 学会等名
      2018年春季応用物理学会, 多元化合物の新規な物性と応用, 多元系化合物・太陽電池研究会 企画シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] サファイア基板に気相成長させた六方晶BN薄膜の発光スペクトル2018

    • 著者名/発表者名
      秩父重英,梅原直己,小島一信,原和彦
    • 学会等名
      2018年春季応用物理学会
  • [学会発表] Luminescence spectra of hexagonal BN thin films grown by chemical vapor deposition on a c-plane sapphire substrate2018

    • 著者名/発表者名
      S. F. Chichibu, N. Umehara, K. Shima, K. Kojima, and K. Hara
    • 学会等名
      The 3rd International Conference on Physics of 2D Crystals (ICP2C3)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spatio-time-resolved cathodoluminescence studies on hexagonal BN microcrystals2017

    • 著者名/発表者名
      S. F. Chichibu, Y. Ishikawa, Y. Kominami, and K. Hara
    • 学会等名
      The 2nd International Conference on Physics of 2D Crystals (ICP2C2)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spatio-Time-Resolved Cathodoluminescence studies of h-BN microcrystals2017

    • 著者名/発表者名
      S. F. Chichibu, Y. Ishikawa, Y. Kominami, and K. Hara
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-12)
    • 国際学会
  • [学会発表] 六方晶BN微結晶の発光ダイナミクス評価(3)2017

    • 著者名/発表者名
      秩父重英,石川陽一,小南裕子,原和彦
    • 学会等名
      2017年秋季応用物理学会
  • [学会発表] 六方晶BN微結晶の発光ダイナミクス評価(4)2017

    • 著者名/発表者名
      秩父重英,石川陽一,小南裕子,原和彦
    • 学会等名
      2017年秋季応用物理学会
  • [学会発表] Spatio-time-resolved cathodoluminescence studies of hexagonal BN microcrystals2017

    • 著者名/発表者名
      S. F. Chichibu, Y. Ishikawa, H. Kominami, and K. Hara
    • 学会等名
      International Workshop on UV Materials and Devices (IWUMD) 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Cathodoluminescence characterization of the hexagonal boron nitride thin films grown on c-plane sapphire substrates2017

    • 著者名/発表者名
      N. Umehara, T. Kouno, H. Kominami, K. Kojima, S. F. Chichibu, and K. Hara
    • 学会等名
      International Workshop on UV Materials and Devices (IWUMD) 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] サファイア基板上に成長した六方晶窒化ホウ素薄膜の深紫外カソードルミネッセンス2017

    • 著者名/発表者名
      原和彦,梅原直己,秩父重英,小島一信,光野徹也,小南裕子
    • 学会等名
      日本結晶成長学会 第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
    • 招待講演

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公開日: 2018-12-17  

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