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ワイドギャップ絶縁体・半導体の光学特性

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Academic year: 2021

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フォトニクス材料研究

16

ワイドギャップ絶縁体・半導体の光学特性

Optical properties of the transition-metal-doped wide-gap oxides

光システム学科 山中明生(Akio YAMANAKA)

We have performed several optical measurement in transition-metal doped wide-gap oxides, particularly focused on -Al

2

O

3

and -Ga

2

O

3

, to clarify the dynamical properties of photo-excited carriers. The single-crystalline samples were melt-grown in a floating-zone furnace. We have successfully grown Ti-Al

2

O

3

that exhibits the intense blue-photoluminescence. In β-Ga

2

O

3

, we have found that doped Cr

3+

ions greatly suppress the radiative recombination of donor-acceptor pairs.

LED・LD

などの光エレクトロニクスの研究対象が青色光から紫外光・深紫外光へと発展

し、ワイドギャップ材料の重要性が再認識されている。我々は、代表的ワイドギャップ酸 化物である酸化アルミニウムと酸化ガリウムに注目し、光励起キャリアの性質、特に遷移 金属などを添加した効果を重点的に研究している。

酸化アルミニウム(-Al2

O

3

)は 6 eV

以上の光学ギャップを持つ典型的なバンド絶縁体で、

化学的安定性から多方面で利用されている。チタン(Ti)を添加した所謂チタンサファイア

(Ti-Al

2

O

3

)は超短パルスレーザに用いられているが、これは Ti

3+

d-d

遷移による赤色蛍光を

利用している。

Ti-Al

2

O

3は赤色蛍光に加え青色蛍光を示すが、その起源については多くの議 論がある。我々は青色蛍光のみを示す

Ti-Al

2

O

3単結晶の作製に成功し、その光学特性につい て集中的な研究を行うとともに、新たな応用の可能性を探っている。

-Ga

2

O

3

4.5 eV

の光学ギャップを持つワイドギャップ酸化物であるが、-Al2

O

3とは異

なり

n

型半導体となる。

-Ga

2

O

3のバンド端を光励起すると、深いドナー・アクセプター(D-A) 対による蛍光が、紫外-青-緑の広い波長域に現れる。我々は、種々の遷移金属などを添 加した-Ga2

O

3単結晶を浮遊帯域溶融法で作製し、時間分解蛍光分光法など駆使して光励起 キャリア-の動的性質の解明を目指している。Fig.1は-Ga2

O

3

Cr

添加-Ga2

O

3の時間分 解蛍光スペクトルである。Cr3+イオンの

3d

準位を介した無輻射遷移のため、D-A 対発光が 抑制されることが分かった。現在は、深紫外光センサーなどへの応用上重要な

Si

4+添加の

n

型-Ga2

O

3を重点的に研究している。

Fig.1 Time resolved photoluminescence spectra of nominally pure (left) and Cr-doped -Ga

2

O

3

.

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