界面ダイポールを利用した酸化物半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードの作製

多彩な電子物性を示すペロブスカイト酸化物の界面において、界面ダイポールによるバンドオフセット制御技術を確立し、さらに界面ダイポールを利用した半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードを作製することを目的として研究を行っている。本年度は特に、前年度の研究で確立した界面ダイポールによるバンドオフセット制御技術を活用することで、半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードの作製に取り組んだ。前年度の研究で、SrRuO_3/Nb:SrTiO_3界面に挿入されたイオン電荷はSrRuO_3金属の遮蔽電荷との間に界面ダイポールを作製し、ショットキー障壁高さを変化させることを明らかにした。このショットキー障壁高さを増大させてSrTiO_3のバンドギャップ3.2eVに近づければ、界面近傍で局所的にSrTiO_3をP型化し、全体としてPN接合を作製できると考えた。まず最も単純な手法として界面にできる限り多くの負電荷を挿入することが考えられる。しかし実際には負のイオン電荷を挿入すればするほど、正の電荷を持つ酸素欠損が生じたり構造が乱れたりして、挿入電荷の効果が抑制されることが判明した。一方で、La_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3/Nb:SrTiO_3金属半導体界面に負電荷を挿入することで形成されるショットキー接合は(図1a,b)、高圧酸素アニールを施すことで2.7eVまでショットキー障壁高さを上昇させることが分かった。実際には高圧酸素アニールによってLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3薄膜は一部酸化され金属特性が劣化するが、それによってむしろLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3内部の電荷遮蔽距離が長くなったために大きな界面ダイポールを作製できたのではないかと考えている。この2.7eVの障壁高さを有するショットキー接合のエレクトロルミネッセンスを測定したが、発光は見られなかった。この測定は試料作製の1カ月後に行ったが、その時点ですでに電流電圧特性は変化し大きなリーク電流を生じていた。このことから、発光が見られなかったのは試料が何らかの理由で劣化したことが一因だと考えられる。

多彩な電子物性を示すペロブスカイト酸化物の界面において、界面ダイポールによるバンドオフセット制御技術を確立し、さらに界面ダイポールを利用した半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードを作製することを目的として研究を行っている。本年度は特に、前年度の研究で確立した界面ダイポールによるバンドオフセット制御技術を活用することで、半導体のP型化による青色・紫外発光ダイオードの作製に取り組んだ。前年度の研究で、SrRuO_3/Nb:SrTiO_3界面に挿入されたイオン電荷はSrRuO_3金属の遮蔽電荷との間に界面ダイポールを作製し、ショットキー障壁高さを変化させることを明らかにした。このショットキー障壁高さを増大させてSrTiO_3のバンドギャップ3.2eVに近づければ、界面近傍で局所的にSrTiO_3をP型化し、全体としてPN接合を作製できると考えた。まず最も単純な手法として界面にできる限り多くの負電荷を挿入することが考えられる。しかし実際には負のイオン電荷を挿入すればするほど、正の電荷を持つ酸素欠損が生じたり構造が乱れたりして、挿入電荷の効果が抑制されることが判明した。一方で、La_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3/Nb:SrTiO_3金属半導体界面に負電荷を挿入することで形成されるショットキー接合は(図1a,b)、高圧酸素アニールを施すことで2.7eVまでショットキー障壁高さを上昇させることが分かった。実際には高圧酸素アニールによってLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3薄膜は一部酸化され金属特性が劣化するが、それによってむしろLa_<0.5>Sr_<0.5>TiO_3内部の電荷遮蔽距離が長くなったために大きな界面ダイポールを作製できたのではないかと考えている。この2.7eVの障壁高さを有するショットキー接合のエレクトロルミネッセンスを測定したが、発光は見られなかった。この測定は試料作製の1カ月後に行ったが、その時点ですでに電流電圧特性は変化し大きなリーク電流を生じていた。このことから、発光が見られなかったのは試料が何らかの理由で劣化したことが一因だと考えられる。