高効率・高安定シリコンLEDの開発と光集積化

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10355015
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 越田 信義 東京農工大学, 工学部, 教授 (50143631)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小山 英樹 東京農工大学, 工学部, 助手 (40234918) ; 菰田 卓哉 松下電工(株), 研究所, 主査技師 ; 須田 良幸 東京農工大学, 工学部, 助教授 (10226582)
• Keywords: ポーラスシリコン / シリコンナノクリスタル / 量子閉じ込め効果 / 可視発光 / シリコン発光ダイオード / 量子効率 / 光導波路 / シリコン光集積

Research Abstract

シリコン発光ダイオードの高効率化・安定化を実現し、モノリシック光集積化の基盤を固めることをめざして研究を行った。初年度において得られた主な成果を以下にまとめる。
1 シリコンLEDの高効率化と安定化
シリコンに陽極酸化処理を施したポーラスシリコン(PS)層を電気化学的に酸化し、発光性ナノクリスタルの増大とリーク電流の減少を同時に実現する手法を開発した。その結果、赤色帯エレクトロルミネセンスの外部量子効率が1.1%というこれまでにないトップデータを報告した。これにより、実用的な効率の発光素子実現の見通しが得られた。
2 酸化処理なしの発光波長制御
自然酸化や熱酸化によらずに,陽極酸化直後の光照射エッチングによって制御される緑・青色発光試料においても単結晶のバンド分散が保持されていること、それらの発光効率が表面終端に敏感であることがわかった。
3 ナノクリスタルの新規機能の発見
発光に関連して、非線形光学応答、双安定不揮発メモリ、弾道電子放出、熱音響効果による超音波発生など、量子サイズ系に特有と思われる機能を見いだすことができた。これらはナノシリコンの多様な応用展開を期待させる。
4 光集積の要素技術
3次元埋め込み形PS光導波路を設計・試作し、伝送損失などを評価した。屈折率コントラストの高いコア・クラッド構造を形成できることから、通常では困難な曲がり導波路を作製できることを確認した。

Research Products

• [Publications] Y.Suda,K.Obata,and N.Koshida: "Band dispersions in photoluminescent porous Si" Phys.Rev.Lett.80. 3559-3562 (1998)
• [Publications] B.Gelloz,T.Nakagawa,and N.Koshida: "Enhancing the external quantum efficiency of porous silicon LEDs beyond 1% by a post-anodization electrochemical oxidation" Mat.Res.Soc.Symp.Proc.536(in press). (1999)
• [Publications] H.Mizuno and N.Koshida: "Enhancement in efficiency and stability of oxide-free blue emission from porous silicon by surface passivation" Mat.Res.Soc.Symp.Proc.536(in press). (1999)
• [Publications] B.Gelloz,T.Nakagawa,and N.Koshida: "Enhancement of the quantum efficiency and stability of electroluminescence from porous silicon by anodic passivation." Appl.Phys.Lett.73. 2021-2023 (1998)
• [Publications] N.Koshida,T.Nakajima,M.Yoshiyama,K.Ueno.T.Nakagawa,and H.Shinoda: "Ultrasound emission from porous silicon: Efficient thermo-acoustic function as a depleted nanocrystalline system" Mat.Res.Soc.Symp.Proc.536(in press). (1999)
• [Publications] K.Ueno and N.Koshida: "Light-emissive nonvolatile memory effects in porous silicon diodes" Appl.Phys.Lett.74. 93-95 (1999)
• [Publications] T.Matsumoto,H.Mimura,N.Koshida,and Y.Masumoto: "The density of states in silicon nanostructures determined by space-charge-limited current measurements" J.Appl.Phys.84. 6157-6161 (1998)
• [Publications] M.Takahashi,M.Araki,and N.Koshida: "Buried optical waveguides of porous silicon" Jpn.J.Appl.Phys.37. L1017-L1019 (1998)