BP/GaN超格子結晶による青色〜緑色域光デバイス新素材の開拓

使用 BP/GaN 超晶格晶体开发用于蓝色到绿色范围光学器件的新材料

基本信息

批准号：
14655126
负责人：
岸野克巳
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Sophia University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

BP/GaN超格子結晶はGaNに格子整合する新しい半導体材料としての可能性を有するが、理論解析および結晶成長に関する報告はなかった。本研究では、光デバイス材料としての可能性を理論的に検証するとともに、分子線エピタキシー(MBE)法によるBP薄膜結晶の成長を試みた。BPは間接遷移型であり、直接遷移型のGaNとタイプII型のバンド配置を取ると予測される。ここでは、クローニッヒ・ペニーモデルを用いてBP/GaN超格子における各層の層厚比および周期を変えながら遷移型とバンドギャップの関係および遷移確率を理論的に解析した。BP/GaN層厚比を1よりも小さくすると直接遷移型になり、周期を変えることにより遷移波長は300nm(紫外)〜690nm(赤色)の紫外から可視全域をカバーできることがわかった。また、高い遷移確率を得るためには分子層レベルでの層厚制御が必要であることが分かった。そこでBPの結晶成長に先立ち、MBE法による超薄膜構造の成長技術を確立する必要がある。GaN/AlNヘテロ構造の成長条件の最適化を進め、AlN(11ML)/GaN(4ML)超格子結晶で光通信波長帯における明瞭なサブバンド間吸収を観測し、AlN/GaN二重障壁トンネルダイオードの室温微分負性抵抗を観測して、分子層レベルのヘテロ構造制御を実証することに成功した。次に、(0001)サファイア基板上にBPの結晶成長を行った。B源には電子ビーム(EB)蒸発源、P源にはバルブドクラッキングセルを用いた。B供給量を一定として、P分子線強度と基板温度を変えてBPの成長を試みたところ、最もP供給量が大きく(P=4.4x10^<-4>Pa)かつ基板温度の低い(T_<sub>=300℃)試料で化学量論組成を満たすBPの形成が確認された。他の試料ではPがほとんど取り込まれなかった。高品質単結晶BP膜の達成に向けて、基板温度を上げつつP/B供給比をさらに増加する必要があるとの知見を得て、今後の研究指針を明らかにした。

尽管BP/GaN超晶格晶体具有作为与GaN晶格匹配的新型半导体材料的潜力，但目前还没有理论分析或晶体生长的报道。在这项研究中，我们从理论上验证了其作为光学器件材料的潜力，并尝试使用分子束外延（MBE）生长BP薄膜晶体。 BP是间接跃迁型，与直接跃迁型GaN相比，预计具有II型能带结构。在这里，我们利用Kronig-Penny模型从理论上分析了在改变BP/GaN超晶格中各层的层厚比和周期时，跃迁类型与带隙以及跃迁概率之间的关系。发现当BP/GaN层厚比小于1时，变为直接跃迁型，通过改变周期，跃迁波长可以覆盖从300 nm（紫外）到可见光的整个范围。 690 纳米（红色）。还发现分子层水平的层厚度控制对于获得高转变概率是必要的。因此，在生长BP晶体之前，有必要建立一种利用MBE的超薄膜结构生长技术。通过优化GaN/AlN异质结构的生长条件，我们在AlN(11ML)/GaN(4ML)超晶格晶体中观察到了光通信波段内明显的子带间吸收，并通过观察室研制出了AlN/GaN双势垒隧道二极管。 -温差负电阻，我们成功地证明了分子层水平的异质结构控制。接下来，在(0001)蓝宝石衬底上进行BP晶体生长。使用电子束(EB)蒸发源作为B源，并且使用球状裂解池作为P源。当我们尝试通过改变P分子束强度和基板温度同时保持B供应量恒定来生长BP时，我们发现最大的P供应量（P=4.4x10^<-4>Pa）和最低的基板温度（ T_ 在样品中(<sub>=300℃)确认了满足化学计量组成的BP的形成。在其他样品中，几乎没有吸收P。我们发现，为了获得高质量的单晶BP薄膜，需要在提高基板温度的同时进一步提高P/B供给比，并明确了未来的研究指南。