フラットパネルディスプレイ用高効率発光ナノ結晶薄膜半導体の開発

本年度は、これまで行ってきたナノ結晶半導体の電界変調分光法による電子構造評価に加えて、その知見に基づいた発光デバイスの試作を行った。変調分光法は、電場、熱などの外場による複素誘電関数の変化分を測定するため、構造変化による電子構造変化を鋭く検知し、ナノ結晶半導体の材料設計に有効である。これまでの研究結果より、ナノ結晶の結晶粒径が、ナノ結晶の電子構造を決定づける大きな要因であることを変調分光法の一つであるエレクトロレフレクタンス(ER)分光法による評価で得ていることから、これを踏まえて更なる研究データの積み上げを図った。この結果、従来ほとんど注目されていなかった高濃度不純物(ボロン)ドープナノ結晶Siにおいて、3次元バンドの直接遷移帯端のバンドギャップが減少することが、明示された。更にこれらの材料物性に関する知見に基づき、ナノ結晶半導体材料を用いた発光デバイスを試作する。具体的には、これまで行ってきたSi系材料に加え、より高効率発光が期待される直接遷移型半導体であるZnSを発光材料として用いる。ナノ結晶ZnSは、スパッタ法によりa-SiN膜との交互積層による多層構造中に形成す乱挿入したa-SiN膜により、結晶成長を抑制し、結晶サイズの制御を図る。さらに、ZnSに発光中心であるMnやTb等をドープすることにより、赤色〜緑色発光を得ることを目指した。その結果、MnドープZnSナノ結晶ELデバイスでは、3cd/m^2の赤色発光をTbドープZnSナノ結晶ELデバイスでは、約10cd/m^2の緑色発光を得ることに成功し、ナノ結晶半導体の発光発光素子応用への可能性が示された。

本年度は、これまで行ってきたナノ結晶半導体の電界変調分光法による電子構造評価に加えて、その知見に基づいた発光デバイスの試作を行った。変調分光法は、電場、熱などの外場による複素誘電関数の変化分を測定するため、構造変化による電子構造変化を鋭く検知し、ナノ結晶半導体の材料設計に有効である。これまでの研究結果より、ナノ結晶の結晶粒径が、ナノ結晶の電子構造を決定づける大きな要因であることを変調分光法の一つであるエレクトロレフレクタンス(ER)分光法による評価で得ていることから、これを踏まえて更なる研究データの積み上げを図った。この結果、従来ほとんど注目されていなかった高濃度不純物(ボロン)ドープナノ結晶Siにおいて、3次元バンドの直接遷移帯端のバンドギャップが減少することが、明示された。更にこれらの材料物性に関する知見に基づき、ナノ結晶半導体材料を用いた発光デバイスを試作する。具体的には、これまで行ってきたSi系材料に加え、より高効率発光が期待される直接遷移型半導体であるZnSを発光材料として用いる。ナノ結晶ZnSは、スパッタ法によりa-SiN膜との交互積層による多層構造中に形成す乱挿入したa-SiN膜により、結晶成長を抑制し、結晶サイズの制御を図る。さらに、ZnSに発光中心であるMnやTb等をドープすることにより、赤色〜緑色発光を得ることを目指した。その結果、MnドープZnSナノ結晶ELデバイスでは、3cd/m^2の赤色発光をTbドープZnSナノ結晶ELデバイスでは、約10cd/m^2の緑色発光を得ることに成功し、ナノ結晶半導体の発光発光素子応用への可能性が示された。