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発光材料研究の新展開 |
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cBN単結晶のpn接合と紫外線発光 |
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物質研究所 |
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| 近年、情報通信分野では、短波長固体発光素子の開発が重要な研究課題となっています。波長の短い光を放出させるためには、バンドギャップの大きな材料によりp-n接合を作製する必要があります。ホウ素と窒素からなる組成が最も単純なIII-V族化合物である立方晶窒化ホウ素（cBN）は、天然に産しない人工物質であり、ダイヤモンドと類似の結晶構造を持ちます。cBNは、現在までに知られている化合物半導体中で最大のバンドギャップを持つと言われています。また、p型とn型の結晶の合成、両者の接合による紫外線発光が報告されています。しかし、これまでに得られた単結晶の品質や発光素子作製の歩留まりに問題があり、その特性についての理解は進んでいませんでした。 私達は、良質なcBN単結晶の高圧合成研究を進め、その基本的な半導体特性を明らかにしてきました。この中で、高圧下での結晶成長において、（１）cBNは合成時に導入される欠陥によりn型の半導体特性を示すこと、（２）p型の結晶を得る為に添加するベリリウムは結晶内の特定の成長方位((111)ホウ素面など）に濃集することを見出しました。これはすなわち、アクセプターであるベリリウムの濃度を制御することで、n型の半導体結晶中にベリリウムが濃集したp型の領域が形成され、結晶内部にp-n接合界面が自発形成することを意味しています。 図１は結晶内部に自発形成したp-n境界から電圧印加により発光が生じているところです。発光特性は、図２のように波長300nm付近にピークを持つブロードな強度分布を示します。現在のところ、cBNのバンドギャップに対応する発光（波長〜200nm程度）は得られていません。これは結晶中に内在する欠陥の影響と考えられます。そこで、最近cBN単結晶の高純度化を進めた結果、電子線照射（カソードルミネッセンス）による自由励起子発光（高純度結晶のバンドギャップに対応した発光）が見出されました。 今後、不純物制御をさらに進めることにより、結晶内部に自発形成したp-n界面からの深紫外線発光を示すユニークな素子の作製を目指します。 |
 図１ p-n界面が自発形成したcBN単結晶からの発光 (左)電圧印加前 (右)電圧印加時 |
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図2 単結晶からの発光スペクトル |
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