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、直接遷移型半導体で最大のバンドギャップ6 eVを有することから、波長210 nmで発光する最短波長発光半導体として期待されている。我々は、これまでに、AlNのp型およびn型ドーピングを実現し、波長210 nmの遠紫外発光ダイオード(LED)の動作に成功した[1]。今回、AlN遠紫外LEDのバンド端発光の起源を同定し、バンド端発光強度が結晶面に大きく依存するAlNの特性を活かした高効率LED構造を提案する。
まず、AlNのpn接合によるC面LED構造を有機金属気相成長(MOVPE)法によりC面SiC基板上に成長した。今回、ドナーとして働く窒素空孔によるアクセプタの補償を抑制するため、p型AlN層を高アンモニア流量で成長したところ、正孔濃度は1桁増加し、LEDの発光効率は従来の8×10-6 から1×10-4 %まで増加した[2]。強度が増大した波長210 nmのバンド端発光ピークを解析した結果、結晶場分裂正孔バンドに由来するエキシトン発光(FXCH)が支配的であり、その低エネルギー側にFXCHのLOフォノンレプリカ、高エネルギー側に重い正孔／軽い正孔バンドに由来するエキシトン発光(FXHH/ＬＨ)を観測した（図1）。格子歪みが価電子帯構造に与える影響を考慮し、FXCHとFXHH/ＬＨのエネルギー差から、AlNの結晶場分裂エネルギーΔCRを-165 meVと同定した。この負の結晶場分裂エネルギーにより、pZライクな状態を持つ結晶場分裂正孔バンドが価電子帯最上端に位置するため、バンド端発光の電場ベクトルEはc軸方位に偏光する(E||c)。この結果、AlNではC面からの発光は弱く、C面と垂直なA面からの発光が強い。
AlNやGaNなど窒化物半導体では、C面成長の場合に良質な結晶が得られやすいため、C面LED構造が作製されてきた。しかし、AlNではE||c偏光により、LED表面を従来のC面からA面にすることで、光取り出し効率を増加できる。我々は、A面SiC基板を用いることでA面LED構造を成長し、C面LEDと同じく波長210
nmの電流注入発光に成功した[3]。そして、A面LEDは、従来のC面LEDと異なり、表面方向(θR = 0º)から強く発光することを確認した （図2）。この結果はAlN遠紫外LEDの高効率化にA面LED構造が有望であることを示している。
[1] Y. Taniyasu, M. Kasu, and T. Makimoto, Nature 441 (2006) 325.
[2] Y. Taniyasu and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 131910.
[3] Y. Taniyasu and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 221110.
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