2017 Fiscal Year Annual Research Report
AlGaN系超高効率紫外発光素子の実現に向けたキャリア再結合過程の解明と制御
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16H02332
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
船戸 充 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70240827)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川上 養一 京都大学, 工学研究科, 教授 (30214604)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気・電子材料 / 結晶工学 / 紫外光源技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ワイドギャップ半導体AlGaNを用いた深紫外(波長：210~300 nm)領域での超高効率な発光を目指し，非輻射再結合過程の解明・抑制と輻射再結合過程の増強を実現することを目標としている．
AlGaN系量子井戸構造を有機金属気相成長(MOVPE)法で(0001)面上に作製する際の条件として，成長圧力やIII族とV族原料の供給比(V/III比)を検討した．成長圧力を従来の76 Torrから200 Torr程度にし，さらにV/III比を高くすることにより，室温でのキャリア再結合寿命が数10 psから数100 psに長寿命化することがわかった．室温の寿命は，主として，非輻射再結合過程によって律速されるため，その長寿命化は非輻射過程の抑制を示している．一方，ex-situプロセスとしては，Al空孔の低減を意図して，Alイオンインプランテーション(および高温熱処理によるダメージ回復)を試みた．インプランテーション後には，もともとも観察できなかった自由励起子に起因した発光が観察されるようになり，Al空孔の低減が示唆された．ただし，発光強度が弱くなったことから，ダメージ回復の処理が不十分であることがわかった．
一方，線欠陥の低減を目指し，AlNバルク結晶の新しい結晶成長法として，Alと窒素ガスによる成長を試みた．成長条件の検討により，成長速度18 μm/時を達成した．貫通転位密度は，サファイア基板上に作製したAlNとしては，これまでの報告の中でも最小レベルにあった(10の8乗台/平方cm)．環境負荷の低い原料を用いる点からも，有望な成長方法であると考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
AlGaN系量子井戸構造における点欠陥の抑制を目指して，in-situプロセスとして，MOVPE法で(0001)面上に作製する際の条件(成長圧力やV/III比)が，点欠陥の形成に与える影響を検討した．成長圧力を従来の76 Torrから200 Torr程度にし，さらにV/III比を高くすることにより，室温でのキャリア再結合寿命が数10 psから数100 psに長寿命化することがわかった．室温での再結合寿命は，現状では，非輻射再結合過程を反映していることから，それの長寿命化は，非輻射過程の抑制を示している．一方，ex-situプロセスとしては，Alイオンインプランテーション(および高温熱処理によるダメージ回復)を試みた．インプランテーション後には，もともとも観察できなかった自由励起子に起因した発光が観察されるようになり，Al空孔の低減が示唆された．以上のように，非輻射過程を抑制するいくつかの方法が明らかになりつつある．
一方，線欠陥の低減を目指し，Alと窒素ガスを原料とする，新しいAlNの結晶成長を試みた．これまでに成長速度18 μm/時を達成しており，これは従来よく用いられるハイドライドVPE法と同レベルの速度であった．また，貫通転位密度は，サファイア基板上に作製したAlNとしては，これまでの報告の中でも最小レベルにあり，線欠陥の抑制に向けて有望な方法であると考えられる．
本研究で得られた成果により，29th ICDS (Matsue, Japan, July, 2017)，10th IWBNS (Espoo, Finland, Sep. 2017), IWUMD2017 (Fukuoka, Japan, Nov. 2017)にて招待講演を行うなど，対外的にも広く認められている．
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| Strategy for Future Research Activity |
輻射過程の増強として，すでに実験的にその有効性の実証を行った(1-102)面上AlGaN量子井戸(2016年度)に関して，デバイスへの展開を図る．具体的には，水銀ランプへの置き換えが期待される発光ダイオードを試作し，その特性を評価する．
点欠陥については，物性や起源の解明と制御を目指して結晶成長と光学測定を継続する．これまでに，成長条件により点欠陥の形成の様子が異なることを実験的に観察しているが，その背景にある物性の理解がなされていない．その理解が進めば，欠陥形成を制御することも可能になると期待される．とくに成長圧力を高めたときに非輻射過程が抑制されていることから，成長の過飽和度が高い方が欠陥形成を抑制すると予想されるため，そのような成長の環境を実現する方法を，成長条件，サンプル形状などの観点から検討を加える．
一方，新奇結晶成長法によるAlNバルク結晶の作製に関しては，まだ実験が初期的な段階にあることから，成長条件はもとより，装置構成など基本的な検討を継続する必要があると考えている．また，将来的には導電性基板が重要になると考えられるため，不純物の添加効果を検証する．
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