谷保芳孝 嘉数 誠
機能物質科学研究部
窒化アルミニウム（AlN）は、直接遷移型半導体中で最大のバンドギャップ6eVを有することから、波長210nmで発光する最短波長発光半導体として期待される。今回、我々は、世界に先駆け、AlNのp型およびn型ドーピングを実現し、AlN発光ダイオード（LED）の動作に成功した[1]。
AlNは、有機金属気相成長法によりSiC（0001）基板上にエピタキシャル成長した。我々は、高純度のAlNを成長するために気相中におけるAlとN原料の副次的反応を抑制し、高純度化したAlNにMgをドーピングすることでp型伝導性[1]を、Siをドーピングすることでｎ型伝導性[2]を得ることに成功した。図1に作製したAlN発光ダイオードの構造を示す。p型AlN層とn型AlN層の間にアンドープAlN発光層を挿入しているのは、p型AlN層へドーピングしたMgやn型AlN層へドーピングしたSiが関与する深い準位の発光を抑制するためである。p型およびn型AlN/AlGaN超格子は、p型およびn型AlN層と電極との接触抵抗を低減するためのものである。
AlN発光ダイオードに順方向電圧を印加したところ、図2に示すように、波長210nmの遠紫外発光を観測した。これは、これまで報告されている半導体発光素子の中で最短波長の電流注入発光である。我々がCLと反射測定により同定したAlNのエキシトン遷移エネルギーとの比較から、図2で観測された遠紫外発光はAlNのバンド端遷移に由来することを確認している。
短波長の光ほど高エネルギーであることから、AlN発光ダイオードは、現在、深刻に社会問題化しているポリ塩化ビフェニール（PCB）やダイオキシンなどの高安定な有害物質を分解する環境保全装置の光源への応用が期待される。今後は、AlN発光ダイオードの実用化に向けて、AlN結晶のさらなる高品質化とドーピングの高効率化を進め、AlN発光ダイオードの発光効率の向上に努めていく。
[1] Y. Taniyasu, M. Kasu, and T.
Makimoto, Nature 441 (2006) 325.
[2] Y. Taniyasu, M. Kasu, and T. Makimoto, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 182112.
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| 図１ AlN発光ダイオードの構造 | 図２ AlN発光ダイオードの発光スペクトラム |