フォノン輸送過程解析に基づく窒化物系光半導体のデバイス物理解明

基于声子输运过程分析的氮化物基光半导体器件物理阐明

基本信息

批准号：
13J04851
负责人：
今井大地
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体発光素子の非発光性電子・正孔再結合や量子井戸型太陽電池の光電流取り出し過程など、光半導体の素子動作効率は電子系とフォノン系の相互作用に大きく影響される。本研究の目的はそれら電子、フォノン系の輸送過程や相互作用を制御することで、素子動作効率向上を図る新たな素子構造の提案、検証である。前年度まで単層膜での解析が中心であったが、最終年度は素子応用へ向けた展開を加速させることに重点をおき所属機関を変更した。また電子・フォノン系バンドエネルギーを制御する新たな構造として、1分子層(ML)-InN/n ML-GaN短周期超格子(SPS)(n:整数)に着目した。本構造はGaN層の薄膜化による隣接1ML-InN層間でのエネルギーバンドの繋がりにより、混晶的に振る舞うことが予測されている。理論的には同等In組成の3元InGaN混晶よりも小さなバンドエネルギーが報告されているが未だ実験的報告はない。そこでまずは、SPSによる混晶的バンド制御の実証により、電子・フォノン輸送制御構造応用への有効性の検証を行い、次に太陽電池構造作製による素子応用へ向けた検証を行った。GaNバリア層厚の異なる1ML-InN/n-ML GaN SPS (n=40-4 ML)において、フォトルミネッセンス(PL)、PL励起測定(PLE)、吸収測定によりバンド構造を調査した。GaN層厚が7 ML以上では、SPSのバンドは非結合量子井戸的であったが、4 MLではこれよりも低エネルギー側に連続的なバンドの形成が観測され、混晶的振る舞いを実験的に証明した。本結果は、GaN層厚制御だけでキャリア輸送制御構造が設計可能であることを示す。SPS(n=4ML)を光吸収層とした太陽電池構造では、スペクトル応答測定により擬似混晶による光応答が観測され、2V以上の良好な解放電圧を示した。これは、本構造がデバイスグレードの素子作製に十分耐え得ることを示す。今後、フォノンバンドについて解析を進めれば、電子・フォノン輸送制御構造応用へ向けた更なる進展が望める。

光学半导体器件的工作效率，例如半导体发光器件中的非发光电子/空穴复合和量子阱太阳能电池中的光电流提取过程，很大程度上受到电子和声子系统之间的相互作用的影响。本研究的目的是提出并验证一种新的器件结构，通过控制电子和声子的传输过程和相互作用来提高器件的运行效率。直到前一年，我们一直专注于单层薄膜的分析，但在最后一年，我们改变了我们的附属组织，专注于加速设备应用的开发。我们还关注单层（ML）-InN/n ML-GaN 短周期超晶格（SPS）（n：整数）作为控制电子和声子带能的新结构。由于 GaN 层变薄，相邻 1ML-InN 层之间的能带连接，因此预计该结构的行为类似于混合晶体。理论上，有报道称其能带能比相同In成分的三元InGaN混晶要小，但尚未有实验报道。首先，我们使用SPS验证了混合晶带控制，以验证其在电子/声子传输控制结构应用中的有效性，然后通过制造太阳能电池结构验证其在器件应用中的有效性。通过光致发光（PL）、PL激发测量（PLE）和吸收测量研究了具有不同GaN势垒层厚度的1ML-InN/n-ML GaN SPS（n=40-4 ML）的能带结构。当GaN层厚度为7 ML或以上时，SPS能带就像非耦合量子阱，但在4 ML时，在较低能量侧观察到连续能带，并通过实验证实了混晶行为。那该结果表明，仅通过控制GaN层厚度就可以设计载流子传输控制结构。在以SPS(n=4ML)作为光吸收层的太阳能电池结构中，通过光谱响应测量观察到赝混晶光响应，并且观察到2V以上的良好开路电压。这表明该结构足以承受器件级元件的制造。如果我们未来继续分析声子带，我们可以期待电子/声子输运控制结构的应用取得进一步进展。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Analysis of nouradiative carrier recombination processes in InN films by mid-infrared spectroscopy

中红外光谱分析 InN 薄膜中的无辐射载流子复合过程

DOI：
10.1007/s11664-013-2550-y
发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
2.1
作者：
Daichi Imai; Yoshihiro Ishitani; Masayuki Fujiwra; X. Q. Wang; Kazuhide Kusakabe;Akihiko Yoshikawa
通讯作者：
Akihiko Yoshikawa

MOVPE-SMART太陽電池での実効In組成制御の検討

MOVPE-SMART太阳能电池中In成分有效控制的研究