量子物性研究部
窒化アルニミウム・ガリウム（AlGaN）は直接遷移型のワイドギャップ半導体で、波長200〜360 nmの波長域で半導体紫外光源が可能である。また紫外光源は照明・ディスプレイ・蛍光分析・光触媒化学・高分解能光学機器等の多様な応用分野を有している。しかしながら、これまでAlを含む材料による高効率発光は困難と言われ、その実現は疑問視されてきた。これに対し、我々は窒化物半導体の光・電子物性を明らかにすることにより、窒化物半導体紫外光源を実現する研究を進めてきた。
高効率な発光を実現するためには量子井戸構造が望ましい。これまで、我々は窒化物半導体量子井戸構造においては内部分極を抑制することが発光効率向上に不可欠であることを明らかにした。このような窒化物半導体光物性に基づく知見に加えて、低抵抗かつ透明な電流注入層（クラッド層）を実現するための短周期超格子構造（SPASL）、高電流注入を実現する高Al組成電流ブロック層[1]、更に結晶欠陥での非発光過程を抑制する高品質GaN単結晶バルク基板を採用し、紫外発光ダイオード（UV-LED）の特性向上を図った[2]。
図1に試作したLEDの構造を示す。本素子は内部分極を抑制する厚さ2nm（8分子層）のAlGaN単一量子井戸発光層、これを挟む高Ａｌ組成（Al0.3Ga0.7N）電流ブロック層、更に周期3nmのSPASLクラッド層（Al0.16Ga0.84N/Al0.2Ga0.8N）から成っている。図２に本LEDの動作特性を示す。発光出力は波長352nmで従来よりも1桁高い10mWを達成した。微分外部量子効率は最大1%を示し、LED構造から算出される内部量子効率は80%に達する値である。これは既存の可視・赤外の発光ダイオードと比べても同程度となる高い値となっている。また発光スペクトルの単色性が良好で、可視光波長領域での深い準位からの発光が充分抑制されている[2]。
更に、本LEDからの紫外光を用いて照明やディスプレイに使用されている赤・青・緑の3原色の蛍光体の励起実験を行なったところ、同時にかつ同程度の効率で励起できることを示し、その応用可能性を明らかにした。[3]
[1] T. Nishida et al., Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 3927.
[2] T. Nishida et al., Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 711.
[3] T. Nishida et al., Phys. Stat Sol. (a) 188 (2001) 113.
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