アルカリ土類硫化物半導体の薄膜成長と格子欠陥の制御の研究

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アルカリ土類硫化物半導体(CaS、SrS)は、有望なカラー薄膜エレクトロルミネッセンス(EL)材料である。しかし、CaS、SrSはイオン性が強く、このため、良質の薄膜を作製することが難しい。本研究では、まず、CaS、SrSの成膜方法の最適化を行い、次に、薄膜成長機構を検討した。さらに、CaS:Eu、SrS:Ce薄膜EL素子を作製し、EL励起機構について検討を行った。得られた結果を以下に記す。1.電子線蒸着法により、基板温度を制御して、CaS、SrS薄膜を作製した。そして、基板温度が薄膜の化学結合状態に与える効果をXPS法により調べた。その結果、基板温度を上げると、Ca(Sr)と結合していないSが現象して、結晶性が向上することがわかった。2.CaS、SrS薄膜の成長面は、蒸着時の基板温度を高くすると、(200)→(220)→(111)と変化する。我々は、核成長のモデルを用いて薄膜成長機構を検討し、次の結果を得た。(1)核成長の初期段階においては、表面エネルギーの小さい面が成長しやすい。(2)基板温度が高くなると、吸着原子の脱離が起こり易く、表面エネルギーの小さい面ほど不安定になりやすい。(3)吸着原子は結合の弱い不安定な状態である。3.CaS:Eu、SrS:Ce薄膜EL素子の(EL特性を検討し、次法)EL励起モデルを提案した。(1)ホットエレクトロンによる発光中心(Eu、Ce)の衝突イオン化が生じる。(2)イオン化した発光中心は伝導電子を捕獲し、5d励起状態になる。(3)発光中心は5d→4f許容遷移により発光する。この励起モデルでは、バンド電子と発光中心の相互作用が重要である。混成相互作用を考慮して、モデルハミルトニアンを作り、CaS、SrS薄膜EL素子の種々の特性を矛盾なく説明できることを示した。さらに、発光中心のイオン化を検証するために、光誘起移動電荷量の測定を行った。その結果、発光中心が電界により容易にイオン化することを確認した。