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ハロゲン化鉛ペロブスカイト / ペロブスカイト型半導体 / 真空蒸着 / ヘテロ構造 / ダブルヘテロ構造 / エピタキシャル薄膜 / ヘテロエピタキシー / エピタキシャル成長 / 太陽電池 / 発光素子 / ペロブスカイト太陽電池 / 発光ダイオード / 半導体レーザ / ペロブスカイト半導体 / ハロゲン化鉛 / ヘテロ積層

日本発の新規太陽電池であるペロブスカイト太陽電池の光吸収層に用いられているハロゲン化金属ペロブスカイト型半導体を発光デバイスに応用することを念頭に，異なるメチルアンモニウムハロゲン化鉛を積層するヘテロ構造の作製を目指して研究をおこなった。真空蒸着法を用いて，多結晶ヘテロ構造を作製することに初めて成功した。また，臭化鉛ペロブスカイト単結晶基板上での単結晶ヘテロエピタキシャル薄膜の作製が可能であることも初めて示すことができた。あわせて，ペロブスカイト型半導体のバンドエンジニアリングの障害となり得る半導体混晶の光誘起相分離という新規現象についても検討した。

GaN / 発光素子 / 擬似単結晶 / エピタキシャル成長 / MBE / PLD / 表示素子 / 界面バッファー層 / 窒化ガリウム / 発光ダイオード / ホトルミネッセンス / 電磁鋼板 / ディスプレー / 窒化アルミニウム / Mgドーピング

本研究の目的は巨大グレインを持つ擬似単結晶金属基板に窒化ガリウムを成長し、低消費電力の大面積ディスプレイや電子ペーパー、高効率照明への応用の可能性を実証することである。GaN発光ダイオード(LED)は大面積表示素子や照明素子への応用が検討されてきたが、GaN結晶には(1)価格が高い(2)大面積化が困難等の本質的な問題点があり、実際にこの様な用途には未だ利用が進んでいない。一方、我々は、良く制御された温度勾配条件下で作製した金属板(擬似単結晶金属基板)が数十センチメートルから数メートルにも及ぶグレインサイズを持ち、この上に優れた結晶性を持つ窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム・ガリウム(InGaN)等のIII族窒化物結晶がエピタキシャル成長できることを見出した。擬似単結晶金属基板のグレイインサイズは半導体のキャリアの拡散長と比べて十分に大きいので、擬似単結晶金属基板上にエピタキシャル成長した半導体を用いて発光素子を作製すれば、バルク単結晶素子と同等の性能を持つLEDが低価格かつ大面積で実現できると考えられ、高輝度の低消費電力・軽量・大面積ディスプレーが実現すると予測される。このような金属基板上に高品質半導体の成長を実現するには、(1)金属板の平坦化・清浄化プロセスと(2)界面バッファー層の品質が重要であることが分かった。(1)に関しては、平坦化研磨液のpHを約8.5にコントロールすることや結晶成長装置内で金属表面に還元性のInプラズマを照射することによって、ステップ構造を持った超平坦清浄金属表面を得ることに成功した。また、(2)界面バッファー層に関しては窒素プラズマラジカル源を用いることによって品質の向上を実現した。これらの技術を用いて窒化ガリウムを擬似単結晶金属基板上に成長したところ非常に強いバンド端発光を示す単結晶が実現した。

【研究連携者】
宮坂力	桐蔭横浜大学	医用工学部	特任教授	(Kakenデータベース)
江馬一弘	上智大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
中村唯我
佐野惇郎
木村浩平
高島駿