希土類添加による窒化物半導体赤色発光デバイスの作製と発光機構の解明

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21760007
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 西川 敦 大阪大学, 工学研究科, 助教 (60417095)
• キーワード: ユウロピウム / 窒化ガリウム / 有機金属気相エピタキシャル法 / 赤色発光 / フォトルミネセンス / 4f殻内遷移 / LED / 電流注入型デバイス

研究概要

前年度、Eu添加GaNを活性層とした窒化物半導体赤色発光ダイオードを世界に先駆けて実現することに成功したが、今年度はさらに輝度を向上させるため、Eu添加GaN成長特性及び発光特性の研究を行い、発光ダイオードの試作を行った。
(1)成長圧力依存性
Eu供給量を向上させるためには減圧(10kPa)下での結晶成長が有効であったが、母体材料であるGaNの結晶性を向上させるためには大気圧(100kPa)下での結晶成長が有効である。そこでEu添加GaN大気圧成長を行い、発光特性を調べた。フォトルミネセンス測定の結果、発光積分強度が10倍向上することが分かった。興味深いことに添加Eu濃度自体は減少しており、添加したEuのすべてが発光に寄与しているのではないことが明らかになった。さらにEu発光の測定温度依存性、励起強度依存性から詳細を調べると、Eu発光強度の増大は大気圧成長による非輻射過程の抑制及び発光に寄与するEu数の増大、さらには温度消光の小さな発光ピークが主要因であることがわかった。
(2)大気圧成長Eu添加GaNを活性層とする赤色発光ダイオードの試作
大気圧成長Eu添加GaNを活性層とする赤色発光ダイオードの試作を行い、電流注入発光特性を調べた。電流-光出力測定から光出力が17μWと前年度と比較して10倍超の発光強度増大が示された。外部量子効率は20mA動作時において0.04%であった。しかし、光出力は電流増大により飽和するため、最大効率は0.5mA動作時の0.6%である。よって、活性層の作製条件を最適化することによりEu発光強度の更なる高輝度化が可能であることを示した。

研究成果

• [雑誌論文] Excitation of Eu^<3+> in gallium nitride epitaxial layers : Majority versus trap defectcenter (2011)
  • 著者名/発表者名: N.Woodward, J.Poplawsky, B.Mitchell, A.Nishikawa, Y.Fujiwara, V.Dierolf
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 98 ページ: 011102(1-3)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electroluminescence properties of Eu-doped GaN-based red light-emitting diode by OMVPE (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Nishikawa, T.Kawasaki, N.Furukawa, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: physica status solidi A 巻: 207 ページ: 1397-1399
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved luminescence properties of Eu-doped GaN light-emitting diodes grown by atmospheric-pressure organometallic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Nishikawa, N.Furukawa, T.Kawasaki, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 051113(1-3)
  • 査読あり
• [雑誌論文] 有機金属気相エピタキシャル法によるユウロピウム添加窒化ガリウムの成長温度依存性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 西川敦、川崎隆志、古川直樹、寺井慶和、藤原康文
  • 雑誌名: 材料 巻: 59 ページ: 690-693
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Growth Temperature on Eu-Doped GaN Layers Grown by Organometallic Vapor Phase Epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Kawasaki, A.Nishikawa, N.Furukawa, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: physica status solidi C 巻: 7 ページ: 2040-2043
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Eu Luminescence Properties in Eu-Doped GaN Grown by Organometallic Vapor Phase Epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kasai, A.Nishikawa, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 巻: 49 ページ: 048001(1-2)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atmospheric pressure growth of Eu-doped GaN by organometallic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Furukawa, A.Nishikawa, T.Kawasaki, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A 巻: 208 ページ: 445-448
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice site location of optical centres in GaN : Eu LED material grown by organo metallic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Lorenz, E.Alves, I.S.Roqan, K.P.O'Donnell, A.Nishikawa, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 111911(1-3)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room-temperature red emission from light-emitting diodes with Eu-doped GaN grown by organometallic vapour phase epitaxy
  • 著者名/発表者名: A.Nishikawa, N.Furukawa, T.Kawasaki, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Site and sample dependent electron-phonon coupling of Eu ions in epitaxial-grown GaN layers
  • 著者名/発表者名: N.Woodward, A.Nishikawa, Y.Fujiwara, V.Dierolf
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: (印刷中)
  • 査読あり
• [学会発表] Eu添加GaNにおけるMg共添加によるEu発光強度の増大 (2011)
  • 著者名/発表者名: 李東建、西川敦、古川直樹、川〓昂佑、寺井慶和、藤原康文
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 厚木市
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] 蛍光XAFS法によるEu添加GaNのEuイオン周辺局所構造解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 大渕博宣、西川敦、古川直樹、寺井慶和、藤原康文、本間徹生
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 厚木市
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] OMVPE法により作製したEu添加AlGaNのEu発光特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 川〓昂佑、西川敦、李東建、古川直樹、寺井慶和、藤原康文
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 厚木市
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] Eu添加GaN発光ダイオードの光学特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 西川敦、古川直樹、李東建、川〓昂佑、寺井慶和、藤原康文
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 厚木市
  • 年月日: 2011-03-25
• [学会発表] Red light-emitting diodes with Eu-doped GaN grown by organometallic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Nishikawa, Y.Terai
  • 学会等名: 15^<th> International Workshop on Inorganic and Organic Electroluminescence & 2010 International Conference on the Science and Technology of Emissive Displays and Lighting & XVIII Advanced Display Technologies International Symposium
  • 発表場所: St.Petersburg, Russia
  • 年月日: 2010-09-29
• [学会発表] 常圧有機金属気相エピタキシャル法により作製されたEu添加GaNにおけるEu発光強度の増大 (2010)
  • 著者名/発表者名: 古川直樹, 西川敦, 川崎隆志, 寺井慶和, 藤原康文
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎市
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] Room-Temperature Red Emission from a p-Type/Europium-Doped/n-Type Gallium Nitride Light-Emitting Diode under Current Injection (2010)
  • 著者名/発表者名: 西川敦、川崎隆志、古川直樹、寺井慶和、藤原康文
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎市(招待講演)
  • 年月日: 2010-09-15
• [学会発表] New development in rare-earth-doped semiconductors: room-temperature operation of light-emitting diodes exhibiting rare-earth emission under current injection (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Nishikawa, Y.Terai
  • 学会等名: 29th Electronic Materials Symposium
  • 発表場所: 伊豆市(招待講演)
  • 年月日: 2010-07-15
• [学会発表] Growth temperature dependence of Eu-doped GaN grown by organometallic vaporphase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Furukawa, A.Nishikawa, T.Kawasaki, S.Anada, N.Woodward, V.Dierolf, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 学会等名: 29th Electronic Materials Symposium
  • 発表場所: 伊豆市
  • 年月日: 2010-07-15
• [学会発表] Organometallic vapor phase epitaxial growth of Eu-doped GaN and its application to red light-emitting diodes operating at room temperature (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Nishikawa, Y.Terai
  • 学会等名: Third International Symposium on Growth of III-Nitrides(ISGN3)
  • 発表場所: Montpellier, France(招待講演)
  • 年月日: 2010-07-07
• [学会発表] Room-temperature red emission from light emitting-diodes with Eu-doped GaN grown by organometallic vapour phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Nishikawa, Y.Terai, Y.Fujiwaza
  • 学会等名: 2010 European Materials Research Society Spring Meeting(E-MRS2007)
  • 発表場所: Strasbourg, France(招待講演)
  • 年月日: 2010-06-08
• [学会発表] Europium incorporation in GaN grown by metal organic chemical vapour deposition (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Lorenz, E.Alves, I.S.Roqan, K.P.O'Donnell, A.Nishikawa, Y.Fujiwara, M.Bockowski
  • 学会等名: 2010 European Materials Research Society Spring Meeting (E-MRS2007)
  • 発表場所: Strasbourg, France
  • 年月日: 2010-06-08
• [学会発表] Site selective excitation pathways of in-situ doped Eu : GaN grown by MOCVD (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Woodward, V.Dierolf, A.Nishikawa, Y.Fujiwara
  • 学会等名: 2010 European Materials Research Society Spring Meeting (E-MRS2007)
  • 発表場所: Strasbourg, France
  • 年月日: 2010-06-08
• [学会発表] Atmospheric-pressure growth of Eu-doped GaN by organometallic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Furukawa, A.Nishikawa, T.Kawasaki, S.Anada, Y.Terai, Y.Fujiwara
  • 学会等名: 37th International Symposium on Compound Semiconductors
  • 発表場所: 高松市(招待講演)
  • 年月日: 2010-06-04
• [学会発表] Growth temperature dependence of Eu-doped GaN by organometallic vapor phase epitaxy (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Nishikawa, T.Kawasaki, N.Furukawa, S.Anada, N.Woodward, V.Dierolf, S.Emura, H.Asahi, Y Terai, Y.Fujiwara
  • 学会等名: International Conference on Core Research and Engineering Science of Advanced Materials
  • 発表場所: 吹田市
  • 年月日: 2010-06-01
• [学会発表] Recent progress in rare-earth-doped semiconductors (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Nishikawa, Y.Terai
  • 学会等名: 2010 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology(CS MANTECH)
  • 発表場所: Portland, USA(招待講演)
  • 年月日: 2010-05-19
• [学会発表] 常圧有機金属気相エピタキシャル法によるEu添加GaNの作製とLED特性の改善 (2010)
  • 著者名/発表者名: 古川直樹、西川敦、川崎隆志、寺井慶和、藤原康文
  • 学会等名: 日本材料学会半導体エレクトロニクス委員会平成22年度第1回研究会
  • 発表場所: 吹田市
  • 年月日: 2010-05-08
• [学会発表] OMVPE法により作製したEu添加GaNにおけるEu発光特性のV/III比依存性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 西川敦、古川直樹、李東建、川〓昂佑、寺井慶和、藤原康文
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 厚木市
  • 年月日: 2010-03-26
• [備考] 藤原研究室ホームページ
  • URL: http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/mse6/index.html