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JAEA-Review-2010-065.pdf:15.99MB - 日本原子力研究開発機構

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1-06<br />

Study of Ion-Implantation Condition Effects for<br />

AlGaN/GaN-Based Light Emitting Device<br />

H. Okada a) , T. Hata a) , M. Kondo a) , Y. Furukawa a) , A. Wakahara a) ,<br />

S. Sato b) and T. Ohshima b)<br />

a) Toyohashi University of Technology,<br />

b) Environment and Industrial Materials Research Division, QuBS, <strong>JAEA</strong><br />

Effects of ion-implantation conditions were studied for new type light emitting device based-on AlGaN/GaN high electron<br />

mobility transistor (HEMT) structure having selective doping of Eu in the channel of the transistor. Drastic decrease of the<br />

channel conductance was observed in Eu implanted samples. This decrease is explained by decrease of electron mobility,<br />

rather than decrease of the sheet carrier density from Hall effect measurement. It was confirmed that the clear red<br />

electroluminescence observed in the fabricated device originated from Eu ion with luminescence peak at 620 nm suggesting<br />

5<br />

D0→ 7 F2 transition in Eu. The results suggest that ion-implantation condition affects electrical and electroluminescence<br />

properties of the proposed light emitting device.<br />

我々は窒化物半導体ヘテロ構造である AlGaN/GaN 高<br />

電子移動度トランジスタ(HEMT)構造にイオン注入法<br />

により希土類元素を添加した三端子型発光素子を提<br />

案・試作し、その発光を報告している 1) 。このデバイス<br />

は希土類元素の内殻遷移に基づく発光を利用するもの<br />

で、単色性に優れ、温度消光が少ない発光デバイスが<br />

期待でき、光通信素子、光を使った分析装置に有用な<br />

発光素子を実現できる。これまで、デバイス試作時に<br />

用いたイオン注入条件は、過去に行ったフォトルミネ<br />

センス(PL)やカソードルミネセンス(CL)などの光励起<br />

法による発光特性の結果を参照して設定してきたが、<br />

電流注入発光(EL)素子として良好な特性を実現するた<br />

めには、デバイス作製条件と電気的特性・発光特性と<br />

の関連を検討する必要がある。今回、希土類元素のイ<br />

オン注入量、加速エネルギーと、素子の電気的特性、<br />

発光特性との関係に注目し、検討を行った。<br />

今回の素子作製には有機金属化学気相成長法により<br />

Si 上にエピタキシャル成長させた AlGaN/GaN ウェハを<br />

用いた。室温におけるシートキャリア濃度は 1 ×<br />

10 13 cm -2 、移動度は 1,450 cm 2 /Vs であった。まず反応性<br />

イオンエッチングにより素子領域を分離する。次にイ<br />

オン注入の保護膜として形成した SiO 2 層の一部に注入<br />

窓をエッチングにより形成した。試料への Eu イオン注<br />

入には、TIARA の 400 kV イオン注入装置を使用した。<br />

その後注入による欠陥の回復熱処理を行い、保護膜の<br />

SiO 2 をエッチングにより除去しソース・ドレイン電極<br />

を電子ビーム蒸着とリフトオフにより形成した。最後<br />

にゲートを同様に形成した。<br />

Table 1 にチャネルコンダクタンス g の測定結果を示<br />

す。チャネルコンダクタンスは Eu イオン注入により大<br />

幅に減少した。この高抵抗化は注入量の増加とともに<br />

より顕著に現れた。Eu 注入量 1 × 1016 cm -2 では若干コ<br />

ンダクタンスの上昇が見られているが、この原因は不<br />

明である。イオン注入による高抵抗化の要因について<br />

検討するために、Van der Pauw 法によるホール効果測定<br />

を行った。Eu ドーズ量を変化させたサンプルについて<br />

評価したところ、シートキャリア濃度は 10 14 ~10 16 cm -2<br />

のドーズ量に対して大きな変化はみられず、ドーズ量<br />

の増加とともに電子移動度の低下がみられた。この振<br />

る舞いは、HEMT のチャネルコンダクタンスから見積<br />

<strong>JAEA</strong>-<strong>Review</strong> <strong>2010</strong>-065<br />

- 10 -<br />

もった実効移動度と数値的にもよく一致した。適切な<br />

注入量の設定により、注入領域の高抵抗化による電界<br />

集中が生じ、加速された電子による Eu イオンの衝突励<br />

起発光を引き起こすことができると考えられる。<br />

次に、作製したデバイスの EL 発光特性について評価<br />

した。ソース-ドレイン間バイアス V DS = 100 V により<br />

注入部分に赤色発光が得られた。注入量を変化させた<br />

実験から、注入量の増加とともに明確な赤色発光が認<br />

められることがわかった。Fig. 1 に加速エネルギー<br />

200 keV、注入量 1 × 1015 cm -2 の条件で作製したデバイ<br />

スの EL 発光写真を示す。分光器によるスペクトル分析<br />

から、Eu イオンの内殻遷移 5 D 0→ 7 F 2 に対応する 620 nm<br />

付近にピークをもつスペクトルが得られ、作製したデバ<br />

イスにおいて希土類元素からの発光が得られているこ<br />

とが確認できた。今後、ここで得られたイオン注入条件<br />

や、デバイス構造、作製条件の最適化により、希土類元素<br />

の発光に基づくユニークな発光素子の高効率化を行う。<br />

Table 1 Eu dose dependence on channel conductance<br />

of fabricated FET with Vacc=70 keV.<br />

Eu dose [cm -2 ] g [μS]<br />

No implantation 7,000<br />

1 × 1013<br />

1 × 10 14<br />

1 × 10 15<br />

1 × 10 16<br />

190<br />

37.1<br />

31.7<br />

62.4<br />

Fig. 1 Electroluminescence (EL) image of<br />

fabricated device (VDS = 100 V, VGS = 0 V).<br />

Reference<br />

1) H. Okada et al., Phys. Status Solidi C6 S2 (2009)<br />

S631-634.

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