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高輝度青色発光のための電子材料技術

コードNO0156
発 刊1991年12月
監修者
平木 昭夫 大阪大学 工学部電気工学科 教授
編集委員
田口 常正 大阪大学 工学部電気工学科 講師
価 格本体52,000円+税
体 裁A4判上製 280頁
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高輝度青色発光のための電子材料技術 期待の高まる青色レーザ・青色発光の現状と素子実用化の到達点と成果を集大成!
高輝度青色発光材料、素子開発に携わる研究者・技術者必見の技術資料集

主要構成

第1部 青色発光材料と素子の開発現状
第2部 EL素子
第3部 波長変換による青色レーザ
第4部 青色発光技術の応用と展望
付属資料

【発刊にあたって】―青色発光へのアプローチ

 青色発光素子の出現が望まれて久しい。 例えば、青色発光(480nm)に対応する直接遷移型半導体として、ZnSeがその標的になって既に20年以上も経過している。
 青色の持つ高視感度(特に暗所での)を利用する表示素子(これはLEDでよい)、それから、最近とみに強くなってきた高密度メモリ光デバイス用としての青色レーザーの要求がある。 しかしながら、現在のところ、市場ベースでの青色レーザーはなく、LEDとして唯一のものにSiCがある。 なお、GaNのLEDが市場進出を指向している段階にあるようである。
 再び、ZnSeに戻ろう。 これはワイド・エネルギー・ギャップをもつII-IV族化合物半導体である。 一般に、化合物半導体のワイド・エネルギー・ギャップは強いイオン結合性に由来している。 つまり、ZnSeはイオン結晶に近い物性をかなり強くもつのである―Mott & Gurneyの名著で代表されるイオン結晶の研究伝統を持つ英国でII-IV族半導体の研究が盛んであったのもうなずけることである。
 ZnSeが光そのものによる損傷(optical damage)を受け易い(光による構成元素のイオン化により簡単に格子欠陥が出来る―これはSiのごとき元素半導体や金属と本質的に異なる点である)こと、また不純物ドーピングの大きな障壁である自己補償効果が認められるなど、青色デバイス化を困難にしているその物性はまさにこのイオン結晶性のためにほかならぬ。 これらの難問〔従って、これらの解決には(物性は変えられぬ故)だましの技術が必要で、これが研究者諸氏の知恵のひねりどころである!〕にもかかわらず、青色発光を目指す研究は多くなされている。 材料も多様である。すなわち、ダイヤモンドに始まりSiC、GaN、そしてZnSe等々と続く。 例えば、筆者のところでは、ダイヤモンド薄膜をCH4やCOやCO2などのガス材料をプラズマCVD法より作成し、これの青色発光を調べている。 ダイヤモンドはSiCと同じく間接遷移型であるが、その広い(ワイド)エネルギー・ギャップ(5.5eV)のため、青色にはこのギャップ内の深いエネルギー準位が利用できるので、間接遷移の制限は余り効かず、高い発光効果が期待できる。 また、光学的非線形効果を使うSHGも期待される方向であろう。 ともあれ、本書は決して、完成された青色発光材料に関するハンドブックではない。 このテーマに対してなされてきた我が国での研究の現状をまとめ問題点を認識し、これらを前提として高輝度青色発光への発展を目指さんとするのがこの出版の主旨である。 本書の題名がこの点を強く意識して付けれているのを御賢察頂きたい。
 最後に新しいニュースを紹介しよう。 それは本年(1991年)9月9日より12日まで行われた米国・シアトルでの“18th International symposium on GaAs and Related Compounds”での国際シンポジウムの発表である。 米国3M社のHaase博士のグループがGaAs基板上にCdZnSeの単一量子井戸(Single Quantum Well)をもつZnSe―ZnSSe導波路構造から青色レーザーのパルス発振(液体窒素温度―室温では緑色となる)を観測したのである。 この成功のポイントはZnSe中にNをプラズマ(rf-plasma)からの所謂ラジカル・ビーム法によりドーピングをして、困難視されていたp型化しかも低抵抗化(NA-ND=1018cm-3を達成した点である。
 我が国では、ZnSeのp型化はOやLiのドーピング―Nはイオンビームを用いたため損傷が多く不成功―で行い、これを用いた弱い光のLEDの段階であるのだから、このインパクトは大きい。 しかし、この3Mの青色レーザーも寿命の問題、温度に対する安定性、それからオーミック電極金属の選択と形成等々・・・多くの難問が待ち受けている。 “Nature is not so kind!”、本分野の研究の発展を祈って、発刊のご挨拶に代えたい。
平木 昭夫

内容目次

第1部 青色発光材料と素子の開発現状

第1章 SiC

(1) SiCの物性<吉田 貞史>
  1. 熱的、化学的性質
  2. 結晶構造とバンド構造
  3. 電気的性質
  4. 結晶欠陥
(2) SiCの光物性<松波 弘之>
  1. 結晶多形と不等価位置
  2. 光学吸収
  3. フォトルミネッセンス
    3.1 励起子ルミネッセンス
    3.2 DAペアルミネッセンス
    3.3 その他のルミネッセンス
  4. SiC発光ダイオードの発光機構
    4.1 スペクトルの温度依存性
    4.2 励起強度依存性および時間分解スペクトル
    4.3 発光機構
(3) SiC LEDの現状<鈴木 彰>
  1. 概況
  2. 製作法
    2.1 基板結晶成長
    2.2 エピタキシャル成長
    2.3 素子製作
  3. 特性
    3.1 電気的特性
    3.2 発光特性

第2章 GaN

(1) GaNの物性<勝井 明憲>
  1. GaNの一般的性質
  2. GaNの結晶成長
    2.1 サファイア基板の表面窒化効果
    2.2 サファイア基板の面方位依存症
    2.3 基板極性の影響
  3. 電子顕微鏡による構造欠陥観察
    3.1 表面窒化サファイアの断面
    3.2 GaN/サファイアの断面
  4. 発光特性
(2) GaNの結晶成長と発光素子<赤崎 勇/平松 和政>
  1. GaN単結晶薄膜成長技術
  2. GaNの諸特性
  3. mis型青色LED
    3.1 Zn添加GaNの成長
    3.2 mis型LEDの作製と評価
  4. pn接合型青色・紫外光LED
    4.1 Mg添加GaNの成長
    4.2 低速電子線照射(LEEBI)処理
    4.3 pn接合型青色・紫外光LEDの作製と特性

第3章 ZnSe

(1) ZnSeの成長(1)―MBE<斉藤 博>
  1. MBE装置
  2. 基板および前処理
  3. 成長および評価
    3.1 アンドープZnSe薄膜
    3.2 不純物ドーピング
    3.3 その他の成長
  4. 界面および成長機構
(2) ZnSeの成長(2)―MOCVD<鎌田 敦之>
  1. 結晶成長
    1.1 原料及び成長方法の改善
    1.2 光照射MOCVD成長
  2. 結晶特性の制御
    2.1 表面状態と結晶学的性質
    2.2 電気伝導制御
  3. pn接合発光素子の試作
(3) ZnSe LED<秋本 克洋/宮嶋 孝夫/森 芳文>
  1. ZnSeの成長
  2. O-ZnSeのフォトルミネセンス
  3. O-ZnSeの結晶評価
  4. 酸素アクセプタの機構
  5. Au電極とO-ZnSeとの接触
  6. O-ZnSe/Ga-ZnSe構造のpn接合

第4章 ZnS

(1) ZnSの物性<田口 常正>
  1. 青色LEDへの要求
  2. バルク結晶とその性質
  3. 光物性
    3.1 バルク結晶の反射スペクトルとフォトルミネッセンス(PL)
    3.2 ヘテロ、ホモエピタキシャル膜のフォトルミネッセンス
(2) ZnSの成長―VPE成長とp型層<飯田 誠之>
  1. 気相成長系
  2. 成長条件と伝導型
  3. 成長層の特性
    3.1 電気的特性
    3.2 X線回折・光学的特性
  4. 検討と課題
    4.1 成長過程についての検討と追加実験結果
    4.2 その他の問題点と検討
    4.3 これからの課題と展望
(3) ZnS青色LED<北川 雅彦>
  1. 青色LEDの条件
  2. ZnS青色LEDの現状

第5章 BN

(1) BNのバルク成長<三島 修>
  1. 現状
    1.1 cBNの高圧合成
    1.2 高圧高温装置
    1.3 BNの溶媒
    1.4 温度差法―単結晶の育成
    1.5 cBN半導体結晶の育成とpn接合の作製
    1.6 育成と極性
  2. 問題点
  3. 今後の展望
(2) BNの光物性とLED<江良 皓>
  1. cBNのLED
    1.1 pn接合における注入発光の確認、その特性と機構
    1.2 現在のLEDの特性
    1.3 cBN-LEDの発光機構
  2. cBNの発光と結晶不完全性
    2.1 紫外から可視短波にかけての発光
    2.2 可視長波から赤外にかけての発光
    2.3 発光の微視的分布、結晶成長機構と発光
    2.4 そのほかの発光と結晶不完全性
    2.5 ドナーとアクセプターとその光物性
  3. cBNの固有光物性
    3.1 電子構造関連
    3.2 格子振動構造関連
  4. 可能性とこれからの問題
    4.1 研究開発目標
    4.2 目標への課題

第6章 ダイヤモンド

(1) ダイヤモンドの成長<瀬高 信雄>
  1. ダイヤモンドの気相合成におけるWilsonの説
  2. 化学気相析出法によるダイヤモンドの合成
    2.1 熱フィラメントCVD
    2.2 マイクロ波励起プラズマCVD
    2.3 電子衝撃CVD
  3. 原料ガスの影響
  4. 燃焼炎による合成
  5. 原子状水素の役割
(2) ダイヤモンドの発光<森 勇介/横田 嘉宏/平木 昭夫>
  1. ダイヤモンドの分類
  2. ダイヤモンドの光物性
    2.1 励起子発光
    2.2 バンドA発光
    2.3 カラーセンター
(3) ダイヤモンドの素子<藤森 直治>
  1. ダイヤモンド発光素子の考え方
  2. ダイヤモンド発光素子
  3. ダイヤモンド発光素子の実現性

第2部 EL素子

第1章 IIa−VIb族青色材料<田中 省作>
  1. 青色EL素子開発の背景
  2. フルカラーELディスプレーの実現に要求される性能
  3. 青色薄膜EL素子の母体材料と発光中心
    3.1 Tm3+発光中心を添加したZnS薄膜EL
    3.2 Ce3+発光中心を添加したSrS、SrSe薄膜EL
  4. SrS:Ce薄膜EL素子
    4.1 薄膜EL素子の構造
    4.2 SrSの薄膜成長
    4.3 EL特性
  5. SrSe:Ce薄膜EL素子
  6. EL励起機構

第2章 超格子発光素子<川上 養一/藤田 静雄/藤田 茂夫>
  1. II-VI族半導体材料におけるレーザ発振
  2. II-VI族化合物半導体のバンド構造
    2.1 歪超格子系
    2.2 格子整合系
  3. 有機金属分子線エピタキシャル法による(Zn、Cd)(S、Se)系材料の成長
  4. 光励起によるZnCdSSe-ZnSSe多重量子井戸構造のレーザ発振特性

第3章 有機EL素子<水谷 照吉>
  1. 有機EL素子研究のながれ
  2. 有機EL素子の作成と特性
  3. 有機EL用材料と性能
    3.1 電極材料
    3.2 キャリヤ輸送材料
    3.3 発光材料
  4. 有機EL素子の劣化機構

第3部 波長変換による青色レーザ

第1章 波長変換の原理と現状<宮崎 保光>
  1. 第2高調波を用いた波長変換
  2. 結晶による波長変換
  3. 導波路による波長変換

第2章 短波長化への開発動向<谷内 哲夫>
  1. 青色レーザ用SHG材料
    1.1 LiNbO3
    1.2 KNbO3
    1.3 KTiOPO4(KTP)
    1.4 その他の材料
  2. SHGの高効率化技術
    2.1 光導波路形SHG
    2.2 疑似位相整合方式SHG

第3章 応用技術<原田 明憲>
  1. 内部共振器型波長変換素子
    1.1 緑色波長変換素子
    1.2 青色波長変換素子
  2. 外部共振器波長変換素子
  3. 直接変換型波長変換素子

第4部 青色発光技術の応用と展望

第1章 SiC高輝度化技術<山口 隆夫>
  1. SiC青色LEDの構造、発光原理
  2. 高輝度SiC青色LED
    2.1 LPE成長法
    2.2 素子作製工程
    2.3 SiC青色LEDの高発光効率化
  3. フルカラーLEDランプ
    3.1 構造及び製法
    3.2 フルカラーLEDランプの特性

第2章 EL素子<楡 孝>
  1. 青色発光薄膜形EL素子の現状
    1.1 青色発光材料
    1.2 成膜方法
  2. マルチカラーELディスプレイの現状
    2.1 発光層パターニング方式マルチカラーELパネル
    2.2 フィルター方式マルチカラーELパネル

第3章 共振器構造を用いた波長変換<佐々木 孝友>
  1. 高効率波長変換のための条件
    1.1 位相整合条件
    1.2 高非線形光学定数を有する材料
    1.3 レーザー光強度を上昇させる方法
    1.4 直接、間接波長変換方式
  2. 共振器SHGデバイスの現状
    2.1 外部共振器SHG
    2.2 内部共振器型SHG
    2.3 二波長共振型SHG
  3. 周波数アップコンバージョンによる波長変換

第4章 ワイドギャップ化合物半導体の評価手法―伝導(型)特性、ドナ・アクセプタ不純物準位及び接合特性評価<安東 孝止>
  1. 伝導(型)特性(電気的評価)
  2. ドナ・アクセプタ不純物準位の評価(光学的手法)
    2.1 遠赤外磁気分光法
    2.2 エレクトロニックラマン分光
    2.3 フォトルミネッセンス(PL)関連技術
  3. 接合ダイオード評価
    3.1 オーミック電極形成/プロセスの適正化
    3.2 接合評価の課題

第5章 その他の材料と展望<佐藤 勝昭>
  1. カルコパイライト型半導体
    1.1 カルコパイライト構造
    1.2 カルコパイライト型半導体の物性
    1.3 カルコパイライト型半導体の結晶成長
    1.4 カルコパイライト型半導体の薄膜成長
    1.5 カルコパイライト型化合物の光物性
    1.6 カルコパイライト型化合物における不純物・欠陥の制御
  2. その他の多元材料
    2.1 ディフェクトカルコパイライトおよび層状化合物
    2.2 Filled Tetrahedral構造
    2.3 LiInS2の青色発光

付属資料

(1) 高輝度青色発光素子開発の到達点―II-VI族によるレーザー・ダイオードの開発<田口 常正>
  1. 3M社により開発されたP-ZnSe/Cd0.2Zn0.8Se/n-ZnSeレーザー・ダイオード
    1.1 レーザー・ダイオードの構造
    1.2 電流対光出力特性
    1.3 レーザー発振スペクトル
  2. CdZnSe/ZnSeの性質と室温青色レーザー実現の可能性
(2) 総合テーブル
  1. Sic(6H-Sic、3C-Sic、4H-Sic、2H-Sic、15R-Sic)<吉田 貞史/鈴木 彰>
  2. GaN<勝井 明憲>
  3. BN<三島 修>
  4. ダイヤモンド<藤森 直治>
  5. ZnSe<斉藤 博/鎌田 敦之>
  6. ZnS<>田口 常正>
  7. 有機EL<水谷 照吉>
  8. その他(CuGaS2、AgGaS2、CuAlS2)<佐藤 勝昭>


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執筆者一覧(敬称略、肩書等は発刊時のものです)
 
監修者
平木 昭夫大阪大学 工学部電気工学科 教授
 
編集委員
田口 常正大阪大学 工学部電気工学科 講師
 
執筆者(執筆順)
吉田 貞史通商産業省 工業技術院 電子技術総合研究所材料科学部 量子材料研究室長
松波 弘之京都大学 工学部電気工学第2教室 教授
鈴木 彰シャープ(株)技術本部中央研究所第1研究部 主任研究員
勝井 明憲日本電信電話(株)NTT研究開発技術本部 茨城地区総務部 安全管理室長
赤崎 勇名古屋大学 工学部電子工学科 教授
平松 和政名古屋大学 工学部電子工学科 助教授
斉藤 博岡山理科大学 理学部応用物理学科 教授
鎌田 敦之(株)東芝 総合研究所電子部品研究所 研究主務
森 芳文ソニー(株)中央研究所光機能デバイス研究部 部長
秋本 克洋ソニー(株)中央研究所光機能デバイス研究部 課長
宮嶋 孝夫ソニー(株)中央研究所光機能デバイス研究部 係長
田口 常正大阪大学 工学部電気工学科 講師
飯田 誠之長岡技術科学大学 工学部電気系 教授
北川 雅彦シャープ(株)技術本部 中央研究所第1研究部 係長
三島 修科学技術庁 無機材質研究所 超高圧力ステーション 主任研究官
江良 皓科学技術庁 無機材質研究所 特別研究官
瀬高 信雄元 科学技術庁 無機材質研究所 所長
平木 昭夫大阪大学 工学部電気工学科 教授
森 勇介大阪大学 工学部電気工学科 博士課程
横田 嘉宏大阪大学 工学部電気工学科 博士課程
藤森 直治住友電気工業(株)伊丹研究所 主任研究員
田中 省作鳥取大学 工学部電気電子工学科 教授
藤田 茂夫京都大学 工学部電気工学教室 教授
藤田 静雄京都大学 工学部電気工学教室 助教授
川上 養一京都大学 工学部電気工学教室 助手
水谷 照吉名古屋大学 工学部電気学科 教授
宮崎 保光豊橋技術科学大学 情報工学系 教授
谷内 哲夫松下電器産業(株)部品デバイス研究センター 主任研究員
原田 明憲富士写真フイルム(株)宮台技術開発センター
山口 隆夫三洋電機(株)半導体研究所光エレクトロニクス研究部 部長
楡 孝KOMATSU 研究本部材料研究所 チーフ
佐々木 孝友大阪大学 工学部電気工学科 助教授
安東 孝止日本電信電話(株)NTT光エレクトロニクス研究所 光材料研究部 主幹研究員
佐藤 勝昭東京農工大学 工学部電子情報工学科 教授


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