青柳 克信 氏
深紫外半導体発光素子の開発
〜表面現象を利用して高効率化を図る〜
「僕が最終的に狙っているのは、水銀ランプを半導体発光素子に置き換えることとHe-Cdレーザーに置き換わる半導体レーザーを作ることなんです」。青柳氏が開発を目指す深紫外半導体発光素子の発光波長は350nm〜200nm。実現すれば、水銀ランプに代わって医療での殺菌処理はもちろん、PCBなどの安定な化学物質の分解や、青色レーザーによるものを上回る高集積記憶デバイスの実現など、様々な応用展開が考えられる。材料となる窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)の組成比を変えれば、200nmから400nmまで発光波長を変えられるが、素子の実現にはいくつかの問題が存在する。これらの問題は現北大の田中悟助教授、理研の武内道一研究員、平山秀樹研究員との共同研究の中で解決されていった。
第一の問題が発光強度を支配するp型半導体のキャリア濃度だ。バンドギャップの大きな窒化物のp型半導体では、不純物によるアクセプタ準位が価電子帯よりも100meV以上高いところにあり、十分なホールが供給されない。その解決策として理論の側から提示されたのが、ドナーとアクセプタのコドーピングによってアクセプタ準位を下げることだった。しかし、p型半導体にマグネシウム(Mg)とシリコン(Si)を一緒に混入しただけではうまくいかない。「肝心なのはMg2個とSi1個の複合体を作ることなんだけど、GaN結晶成長時にMgとSiを混入して、あとで複合体にしようと思っても、GaN結晶は強い結合力を持っているから拡散して反応するのは無理なんですよ。一方で、僕が昔、原子層成長の技術開発をやった時によくわかったのは、結晶表面の上の原子はすごい勢いで走り回っているということなんです」。そこで、結晶成長を一旦休止した表面にMgとSiを供給し、再び結晶成長を繰り返す交互供給コドーピング法を開発することにより、Mg・Si複合体の合成に成功した。GaNでは、レーザー実現に十分なキャリア濃度1019cm-3を達成、アクセプタ準位がより高いAlGaNでも、 5×1018cm-3を実現している。「AlN濃度が15%くらいまではうまくいく。でも、水銀ランプの持つ254nmを実現するには、70%くらいまで持って行かないと」。Al濃度が高くなるほどアクセプタ準位も高くなるため、コドーピング法だけで十分に準位を下げられるかどうかは明らかではない。だが「その場合でも、実はまた別のアイディアがあるので」と自信を覗かせる。
次なる問題は、発光効率の向上に不可欠な、活性層における量子ドットの形成だ。深紫外半導体発光素子では、活性層とクラッド層の材料の組成にほとんど差がなく、格子歪みを利用した量子ドットの作製は困難だ。「でも、表面エネルギーさえコントロールしてやれば、できるということがわかったんです」。AlGaNの表面に、テトラエチルシリコンを撒くと、表面のダングリングボンドが終端されて表面エネルギーが低下する。その結果、次に積層されるGaNは、面状に広がるよりも量子ドットを形成する方がエネルギー的に低くなり、わずかな格子定数の差しかなくとも量子ドットを形成する。通常、結晶成長で三次元成長を抑制する表面改質剤をサーファクタントと呼ぶが、これとは逆に三次元成長を促すこの手法を、青柳氏はアンチサーファクタントと名付けた。実は、このアンチサーファクタント処理を研究する過程で、もう1つの問題、貫通転位の解決策も得られた。窒化物では、それと格子定数の大きく異なるサファイアを基板に用いるため、格子のずれから転位が生じ、結晶を貫通する。この貫通転位に電子がトラップされるため、発光効率が低下する。 だが、アンチサーファクタント処理をほどこすと基板から窒化物への転位の貫通を止めることができ、通常1010cm-2ある転位密度が二桁下がり、素子化に十分な質の結晶が得られた。ただし、これはGaNの場合で、高いAl濃度のAlGaNに関しては、量子ドットの形成、低転位化ともに実験の最中だ。
波長254nmの発光素子を目指す中、青柳氏はフォトニック結晶にも注目している。これは理研（元東工大）の井上振一郎研究員との共同研究の成果であるが、「フォトニック結晶の一番面白いところは非線形光学効果なんです。この結晶は光が中に閉じこもっている時間が長いので、非線形光学材料を使えば、材料と光との相互作用の時間が100倍、1000倍になっちゃうわけ」。それによって、今まで10cmの材料で得られていた非線形光学効果と同じものが、1mmの材料で得られることになる。当初は、高い非線形効果を持つ有機材料をPMMAに混ぜてフォトニック結晶に成形したが、光で劣化しやすい有機材料は寿命が短く、実用化のネックになる。一方、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)のような安定で高い非線形光学効果を持つ材料は加工性が悪く、それ自身でフォトニック結晶を作ることは難しい。そんな中、青柳氏が見出したのがフォトニックヘテロ構造だった。 LiNbO3の上にポリメタクリル酸メチル (PMMA)で作ったフォトニック結晶を重ねた構造で、これならば、安定な材料のみで非線形光学効果を持つフォトニック結晶が作れる。
「うまく設計してやると、フォトニックの性質を感じながら非線形の性質も同時に感じるような電界分布を作ることができるんですね。この中に光を通すと、二次高調波といって、508nmの波長のレーザから半分の254nmが出てくるとか、和周波といって800nmと700nmを通すと、そのエネルギー和に等しい370nmの光が出てくるという可能性がある」。もう一つの狙いである325nmのレーザーはこの方法で簡単に出せるかもしれない。
青柳氏の研究歴は有機半導体からスタートしている。「だから僕自身の中で、有機物と無機物、半導体とが融合していて、組み合わさった発想が簡単に出てくる。だけどバイオだとすごく距離があって、もっと階層が上のところで境界領域をやらなければならない時代に今はなっている。それは共同研究では埋め尽くせないのね。それで、バイオの勉強を始めたんだけど、アメリカなんかだと学部の時にバイオの授業が必修で、彼らには一番頭の柔らかい時にベースが刻みこまれているんですよ。それが必要になった時に簡単に出てきて結合するわけ」。今の若い人は自分の専門にものすごく特化している。それは大切だが、別の分野のことをよく知るという基本姿勢を是非持ってもらいたいと青柳氏は言う。「例えば、遊び感覚でまわりの分野を楽しむというのがあると、すごく良いと思うんですよね」。
