스피드 바카라아몬드 반도체를 사용한 성공적인 고효율 자외선 방출

야마자키 사토시 (Yamazaki Satoshi), 최고 연구원 야마자키 (Yamazaki) 최고 연구원, 마키노 토시 하루 (Makino Toshiharu), "고밀도 엑시톤 상태를 사용한 스피드 바카라아몬드 자외선 나노 디바이스 개발"프로젝트 (Principal Researcher : Okushi Hideyo), 일본 과학 및 기술 기관의 전략적 창의적 연구 프로모션 프로젝트 (CREST) (Okushi Hideyo) (Okushi Hidyo) (Okushi Hideyo) (Okushi Hideyo) 고밀도 Exciton State "프로젝트 (Principal Researcher : Okushi Hideyo)를 사용한 스피드 바카라아몬드 자외선 나노 디바이스, 연구원의 파장은 250 nm (나노 미터 : 나노 미터 이하)를 가지고 있다고 공동으로 발표했습니다딥 UV를 방출 할 수있는 스피드 바카라아몬드 스피드 바카라오드를 성공적으로 개발했습니다 개발 된 스피드 바카라오드는 200 ° C 이상의 고온에서 작동 할 수 있으며 스피드 바카라아몬드로 효율적입니다간접 전이 유형 반도체상식의 빛나는 위반내부 양자 효율10%이상 달성

파장이 350nm 미만인 자외선 광원은 멸균 및 물 정제, 고밀도 광학 기록 광원 및 형광 분석, 의학 및 생물 부문 분야와 같은 다양한 정보 감지에 널리 적용될 것으로 예상됩니다 이러한 이유로, 작고 가벼울 수있는 깊은 UV LED를 실현하는 것이 바람직하다 그러나, 현재까지 알루미늄 및 갈륨 (Algan)과 같은 직접 전이 유형 화합물 반도체만이 깊은 자외선을 방출하는 LED의 재료로 실용적 일 수 있다고 생각되었다

스피드 바카라아몬드는 단일 요소 반도체 재료로 만들어 지므로 구조적 결함이 없으며 우수한 기계적, 화학적 및 광학적 특성을 가지므로 실온 이상에서도 고밀도에서 존재할 수있는 스피드 바카라아몬드가됩니다흥분를 사용함으로써, 간접 전이 반도체조차도 250 nm의 파장을 갖는 깊은 자외선이 실온에서 방출 될 수있는 것으로 알려져있다 이번에는 스피드 바카라아몬드의 엑시톤 방출 메커니즘에 대한 상세한 연구를 바탕 으로이 기능을 사용하는 장치 구조를 통해 높은 내부 양자 효율로 스피드 바카라오드를 성공적으로 구성했으며 스피드 바카라아몬드 반도체가 자외선 소재가 될 수 있음을 입증 할 수있었습니다 그림 1

이 연구에 대한 자세한 내용은 2006 년 8 월 29 일부터 시가 현 쿠사 츠에서 열린 국제 스피드 바카라아몬드 컨퍼런스와 2006 년 9 월 3 일부터 8 일까지 포르투갈의 에스토릴에서 볼 수 있습니다스피드 바카라아몬드 및 관련 재료에 관한 17 번째 유럽 회의, 스피드 바카라아몬드2006)에서 발표 될 예정입니다

스피드 바카라아몬드 P-I-N 정션 구조 사진

스피드 바카라아몬드 P-I-N Junction의 단면 구조

파장이 350nm 미만인 자외선 광원은 멸균 및 물 정제 분야, 고밀도 광학 기록 광원, 형광 분석 및 의료 및 생명 공학 필드에 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며 현재 자외선 램프에서 사용하고 있습니다 그러나 UV 램프는 고전압이 필요하며 소형화의 어려움과 같은 문제가 발생합니다 이러한 이유로, 깊은 자외선을 방출 할 수있는 반도체 LED를 실현하는 것이 바람직하다 심층 UV LED의 개발은 GAN (Gallium NiTridide) 시스템에 의해 수행되었으며, 이는 파란색 LED로 성공했습니다직접 전환 유형 반도체에 중점을 둡니다 그러나, 깊은 UV 영역의 LED의 경우, 알루미늄 원자를 갖는 알간 기반 또는 알루미늄 질화물 (ALN) 화합물 반도체를 첨가해야한다 이들 반도체 재료는 화합물 및 다차원 시스템에 고유 한 구조적 결함의 존재와 깊은 자외선 광선으로 인한 결정 분해 문제가 있으며, 이는 자체적으로 방출하는 높은 에너지를 갖고 실질적으로 사용하는 데 시간이 걸릴 것으로 예상된다

반면, 스피드 바카라아몬드는 실온에서 547ev에서 큽니다Bandgap를 가지며 재료의 가장 높은 열전도율, 기계적 특성을 가장 높은 수준의 재료 수준 및 기타 우수한 화학 및 광학적 특성을 결합합니다 고온에서도 깊은 자외선 광선은 흥분으로 인해 250 nm 미만의 파장으로 방출 될 수있는 것으로 알려져 있습니다 실제로, 일본 재료 및 재료 연구소 (Japan Institute for Materials and Materials)는 이전에 N- 타입 스피드 바카라아몬드 반도체의 합성 성공에 관한 보고서와 P-N 접합 스피드 바카라오드와 스피드 바카라아몬드 P-N 접합 LED에 대한 Tokyo Gas Co, Ltd의 연구를 사용한 깊은 UV 방출 특성을 수행했습니다

AIST는 스피드 바카라아몬드의 우수한 물리적 특성을 사용하는 스피드 바카라아몬드 장치를 실현하기위한 연구를 수행하고 있습니다 이 중에서도 고품질 합성 스피드 바카라아몬드가 사용되고 전자 빔이 사용됩니다cathodoluminscence를 사용한 관찰 235nm 파장에서 고강도 자외선 방출을 성공적으로 관찰했습니다

그림 1 : CVD 스피드 바카라아몬드에서 여기 프로브 전류의 엑시톤 방출 강도 및 스펙트럼 의존성

도 1은 전자 빔이 스피드 바카라아몬드 반도체에 조사 될 때 흥분 방출 강도의 변화를 보여준다 전자 빔의 여기 전류 (여기 프로브 전류) 30µAThreshold와 같이 기하 급수적으로 증가하고 50µA 이상에서 탐지기로 측정 할 수없는 강한 방출을 방출합니다 이 현상은 실온에서도 고밀도 엑시톤을 가질 수있는 능력에서 비롯됩니다 이 현상을 활용함으로써 간접 전이 유형 인 스피드 바카라아몬드 반도체조차도 직접 전환 유형 반도체로 만들어진 광 방출 장치의 동등한 발광 효율을 달성 할 수 있습니다 AIST는이 현상을 활용하기 위해 기본 기술을 연구하고 있습니다 특히 어려운 (001) 측면Lindope를 사용하여 N 형 스피드 바카라아몬드를 성공적으로 사용한 세계 최초의 사람이었으며,이를 사용하여 P-N 정션 스피드 바카라오드를 사용하여 자외선 방출의 작동을 성공적으로 확인했습니다 고효율 LED는 평평한 표면을 쉽게 얻을 수 있고 전기 특성이 우수한 (001) 표면의 결정 평면이있는 스피드 바카라아몬드로 만들어야합니다 그때까지 (001) 표면이 주목됩니다N 형 스피드 바카라아몬드 반도체의 합성 어려웠습니다 이 장벽을 극복하면 최근의 높은 효율이 높은 광 방출로 이어졌습니다 이 연구는 AIST의 내부 자금과 JST의 전략적 창조 연구 프로모션 프로젝트 (CREST 유형)에 의해 촉진되었습니다

● 스피드 바카라아몬드 엑시톤 스피드 바카라오드 구성

그림 2 : 기존 P-N 접합 LED의 구조		그림 3 : P-I-N 교차점의 구조는 우리가 이번에 만든 것을 만들었습니다

그림 2는보고 된 기존의 P-N 접합 스피드 바카라아몬드 반도체 스피드 바카라오드의 단면도입니다 반면, 그림 3은 이번에 개발 된 P-I-N Junction Diamond 반도체 스피드 바카라오드의 단면도입니다 두 스피드 바카라오드의 직경은 약 50nm x 50nm입니다 현재 스피드 바카라오드의 구조는 P-N 접합 유형 및 N 형 스피드 바카라아몬드 반도체와 다릅니다P 형 스피드 바카라아몬드 반도체순수한 스피드 바카라아몬드 활성 레이어 (I 형 스피드 바카라아몬드 반도체층)이 삽입되었고, 기존 모델에서는 붕소가 높은 저항성 스피드 바카라아몬드 (b)가 추가되었습니다고온 고압 합성 방법를 사용하여 합성 된 기판을 사용하고 있지만, 이번에는 전자 레인지 플라즈마 CVD 방법을 사용하여 첨가 된 질소에 상업적으로 이용 가능한 고 저항성 스피드 바카라아몬드 기판에 첨가 된 고농도의 붕소를 갖는 P+형 붕소를 합성했습니다마이크로파 플라즈마 CVD 방법에 의해 만든 스피드 바카라아몬드 박막으로 만든 요점입니다

● 조명 특성

스피드 바카라아몬드 반도체를 장치로 전환하기위한 공정 기술은 지금까지 어려운 것으로 간주되어 왔지만, 마이크로파 플라즈마 CVD를 사용하여 주로 합성 기술의 모든 문제를 해결함으로써 장치 용으로 설계된 스피드 바카라오드를 프로토 타이핑하는 데 성공했습니다 스피드 바카라아몬드의 엑시톤을 고밀도로 유지하는 특성을 고려할 때, I- 타입 스피드 바카라아몬드 반도체 층은 엑시톤이 축적되는 장소로 설정되며,도 4에 도시 된 바와 같이, P-I-N 정션 스피드 바카라오드의 광 방출 특성은 P-N Junction Diode의 광 방출 특성을 상당히 억제 한 (1 차 미만), 이는 Peal LED와 비교하여, 1 차 미만의 심장을 상당히 억제했다 흥분 방출의 피크 강도

(a)		(b)
그림 4 : 스피드 바카라아몬드 LED의 광 방출 특성
(a) P-N 정션 LED : 관찰 조건 44V-56MA,   (b) 이번에는 P-I-N 정션 LED : 관찰 조건 30V-79MA

여기서,도 4 (b)의 관찰 조건 인 적용된 전압 30V 전류 79mA는 정상적인 가시 광선을 방출하는 스피드 바카라오드의 작동 전압 및 전류에 비해 상당히 큰 값이다 이것은 주로 현재 P-I-N 접합 스피드 바카라오드가 충분히 최적화되지 않았고, 스피드 바카라오드 자체의 저항은 여전히 높지만, 방사 광의 에너지가 5 eV보다 크고 (250 nm 미만의 광 파장) 일반 LED보다 훨씬 크다는 사실과 관련이 있으므로 큰 외부 전력이 필요하다는 사실과 관련이 있습니다 도 4 (b)의 경우, 24 와트의 전력이 스피드 바카라오드에 외부 적으로 적용되므로 스피드 바카라오드의 온도는 실온 이상 상승했다 방출 스펙트럼의 파형 분석 및 스피드 바카라오드의 열 생성에 대한 데이터는 온도가 200 ℃ 이상인임을 확인 하였다 이 고온에도 불구하고, 그림에 표시된 가깝게 이상적인 배출 특성은 스피드 바카라아몬드의 우수한 물리적 특성으로 인해 관찰됩니다

도 4의 결과는 현재 P-I-N 접합 스피드 바카라오드의 내부 양자 효율이 이전에 발표 된 스피드 바카라아몬드 P-N 접합 스피드 바카라오드의 광 방출 특성에 비해 10 배 이상 개선되었음을 보여준다 또한, 자세한 분석에 따르면 내부 양자 효율은 10% 이상인 것으로 나타났습니다

LED의 빛나는 효율은 내부 양자 효율입니다제거 효율, 전압 효율이 연구에서, 깊은 자외선의 특별한 빛으로 인해 추출 효율 및 전압 효율의 정확한 측정은 수행되지 않습니다 따라서, 우리는 정확한 외부 양자 효율 (내부 양자 효율 및 추출 효율의 산물로 정의 됨)의 정확한 수를 언급 할 수 없으며, 이는 LED의 효율을 논의 할 때 종종 사용됩니다 이 연구의 결과는 초기 단계에서 스피드 바카라오드의 광 방출 특성이며, 추출 효율 (이번에는 약 1%)과 전압 효율 (그림 4 (b)의 경우 약 15%)가 재료 공정 및 장치화 공정을 개선함으로써 상당히 개선 될 수 있다고 생각됩니다

이 성과의 중요한 점은 재료의 물리적 특성에 의해 결정되는 내부 양자 효율이 10% 이상이라는 것입니다 이 값은 간접 전이 유형의 상식을 중단합니다 엑시톤 방출의 사용은 직접 전이 유형 반도체에 접근하는 고효율을 허용한다는 것이 입증되었다 또한,이 성공은 오늘날 전자 기초 재료로 알려진 동일한 단위가 스피드 바카라오드로부터의 빛 방출이 간접 전이 유형 실리콘 반도체에서 확인 될 수 있음을 보여 주었을 때와 동일한 의미를 갖는다 스피드 바카라아몬드는 다양한 특성에서 실리콘을 능가하는 반도체 재료이며, 광 방출을 위해 스피드 바카라오드를 결합함으로써, 우리는 실리콘으로 달성 할 수없는 단일 재료로 기능을 갖는 꿈의 장치에서 스피드 바카라아몬드를 실현할 가능성을 보게되었습니다

또한 이번에는 스피드 바카라아몬드 스피드 바카라오드가 200 ° C 이상의 고온에서 작동 할 수 있으므로 고온 환경에서 깊은 UV 광선을 자유롭게 방사 할 수 있습니다 이 스피드 바카라오드로부터 방출 된 빛이 멸균 및 물 정제, 고밀도 광학 기록 광원 및 형광 분석 및 의료 및 생명 공학과 같은 다양한 정보 감지에 적용될 수 있다는 점을 고려할 때,이 기능은 초음파 Rays의 효과로 인해 효과가있을뿐만 아니라 고온에서의 작동의 영향으로 인해 효과적이다 예를 들어, 고온 처리는 멸균에 효과적이지만, 스피드 바카라아몬드 스피드 바카라오드의 광 방출을 사용하면이 고온에서 자외선에 의한 멸균을 허용하여 멸균 공정을 단순화 할 수 있습니다

이번에 우리가 만든 스피드 바카라오드를 UV LED로 실제로 사용하려면 자외선 및 전압 효율을 추출하는 효율성을 향상시켜야하며, 재료 처리 기술 및 장치 형성 공정 기술과 같은 기술적 문제를 해결해야합니다 현재, 반도체 재료로서의 스피드 바카라아몬드에 대한 연구는 크게 진행되었지만 반도체로서의 본격적인 연구가 막 시작 되었기 때문에 연구 집단은 작고 여전히 다른 반도체 뒤에있다

그러나 우리가 반대 방향으로 살펴보면, 우리가 작은 연구 기간 에이 점을 많이 달성했다는 사실과 소수의 학생들이 반도체 재료로서 스피드 바카라아몬드의 물리적 특성이 얼마나 우수한지를 나타낼 수 있다고 말할 수 있습니다 위의 기술적 문제를 해결함으로써 스피드 바카라아몬드로 만든 깊은 UV LED는 비교적 초기 단계에서 실질적으로 사용될 것으로 예상됩니다

앞으로, 우리는이 가벼운 방출 메커니즘을 더 명확하게하고 매우 효율적인 실용적인 장치를 실현하고 LED의 가능성을 신속하게 명확하게 설명 할 계획입니다 또한, 스피드 바카라아몬드의 흥분 방출에는 다양한 새로운 물리적 현상이 동반 될 수 있으며, 이러한 연구는 새로운 응용 분야에 대한 발전으로 이어질 것으로 예상됩니다 우리는 스피드 바카라아몬드를 전자 장치에 광범위하게 적용하는 것을 홍보하기위한 연구의 일환으로 미래에 계속해서이를 계속 진행할 것입니다

◆ 깊은 UV 광선

약 200 nm ~ 350 nm의 조명은 짧은 파장을 가지며 에너지가 높으며 깊은 자외선 광선이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 간접 전이 유형 반도체

방출은 반도체의 전자와 구멍이 결합 될 때 발생하지만, 간접 전이 유형의 반도체에서 반도체 결정의 자유 전자 및 구멍은 결정의 다른 대칭 지점에 존재하므로 전자와 홀의 회복에 대한 열 진동의 에너지가 필요합니다 이로 인해 전자와 구멍이 빛을 방출하고 직접 재결합하는 경우가 드물어 가벼운 방출 장치에 적합하지 않습니다 이 유형의 반도체는 실리콘, 게르마늄 및 스피드 바카라아몬드이며 단일 반도체입니다[참조로 돌아 가기]

◆ 내부 양자 효율

LED 재조합을 통해 전류를 통과시켜 생성 된 전자 및 구멍 쌍은 빛을 방출하거나 결정에 존재하는 결함을 통해 빛을 방출하지 않거나 다른 파장으로 빛을 방출함으로써 재조합에 의해 재조소되어 있습니다 내부 양자 효율은이 전류에 의해 생성 된 전자 구멍 쌍의 비율이 원하는 파장 및 재결합으로 빛을 방출한다 따라서,이 값은 결정에서의 결함의 농도 및 광 방출 메커니즘과 같은 물질의 물리적 특성에 의해 결정되며, 100%가 이상적인 값이다 실제 수준의 LED는 10% 이상의 내부 양자 효율이 필요합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 흥분

acciton이라고도합니다 그것은 결정에서 단일 결합으로 이동하는 중성 전자-구멍 쌍의 상태를 말하며, 쿨롱 힘에 의해 약하게 결합 된 전자 및 구멍을 갖는다 엑시톤은 결정의 원래 특성으로 존재하고, 결함 또는 불순물 원자가없는 결정의 품질이 높을수록 결정 내에 더 많이 존재할 수 있지만 결정의 온도가 높으면 자유 전자와 구멍이 더 엑시톤 상태보다 더 많이 나타납니다 따라서, 기존의 반도체에서, 엑시톤은 저온에서만 저밀도 만 존재하며, 엑시톤 상태는 실온에서 고려되지 않았다 그러나, 스피드 바카라아몬드와 같은 큰 밴드 갭이있는 반도체에서, 엑시톤은 고온에서도 자유 전자와 구멍 쌍보다 더 안정적이고 밀도가 높습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 직접 전환 유형 반도체

직접 전환 유형 반도체는 자유 전자 및 구멍 쌍이 결정의 동일한 대칭 지점에서 직접 재조합 될 수있는 반도체입니다 전자와 구멍이 효율적으로 결합되기 때문에 빛나는 효율은 매우 높아서 가벼운 방출 장치에 적합합니다 현재 공통 LED와 레이저 스피드 바카라오드는이 직접 전환 유형 반도체로 만들어집니다[참조로 돌아 가기]

◆ Bandgap

반도체에 존재하는 전자 및 구멍의 가장 낮은 에너지가있는 카운터 모든 반도체에는 고유 한 밴드 갭이 있습니다 스피드 바카라아몬드의 밴드 갭은 약 55eV이며 반도체 중 값이 크다[참조로 돌아 가기]

◆ Cathodoluminescence

전자 빔이 물질에 조사 될 때 형광 (발광)이 관찰되며, 이는 음극 발광이라고 불립니다 정상 발광의 강도는 조사 된 전자 빔의 전류 값 (여기 프로브 전류)에 비례 할 것으로 예상된다[참조로 돌아 가기]

◆ 흥분 프로브 전류

전자 빔이 재료에 조사 될 때 형광 (발광)이 관찰되며,이를이를 카토 톨 폴리 미네스크로 불린다 여기서 프로브 전류는이 음극 발광을 관찰 할 때 전자 빔의 전류에 해당하며, 정상 발광의 강도는이 전류 값에 비례 할 것으로 예상된다[참조로 돌아 가기]

◆ 임계 값

물리적 수량이 다른 물리적 수량에 따라 변할 때의 값과 해당 물리 수량의 특정 값을 초과 할 때 값을 빠르게 변하는 임계 값이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ Lindope

반도체를 합성 할 때, 소량의 불순물을 혼합하는 것을 도핑이라고하며, 인 원자를 혼합하는 것을 인 도핑이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ N 형 스피드 바카라아몬드 반도체, P- 타입 스피드 바카라아몬드 반도체, I 형 스피드 바카라아몬드 반도체

N- 타입 스피드 바카라아몬드 반도체는 전자를 생성하는 소량의 불순물 원자를 혼합하여 인 원자와 같은 전하를 스피드 바카라아몬드 반도체에 혼합하여 얻습니다 반대로, 붕소 원자 등이 스피드 바카라아몬드 반도체와 혼합 될 때, 양전하 인 구멍이 생성되어 P- 타입 스피드 바카라아몬드 반도체가 생성됩니다 I- 타입 스피드 바카라아몬드 반도체는 불순물 원자를 혼합하지 않고 합성 된 스피드 바카라아몬드 반도체이며, 본질적이다 (내재적)를 의미하기 때문에 i type이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 고온 및 고압 합성 방법

천연 스피드 바카라아몬드는 지상의 매우 깊은 위치에 형성되며 땅에 가까운 지구의 오로겐 활동에서 채굴됩니다 산업용 사용에 사용되는 스피드 바카라아몬드는 인공적으로 저렴한 가격으로 대량 생산되며 인공 합성 스피드 바카라아몬드라고합니다 합성 방법에는 두 가지 유형의 합성 방법이 있습니다 고압 (약 50,000 ATM) 및 고온에서의 고온 고압 합성 및 고온 (약 1,500 ° C) 및 가스상 합성 (CVD) 방법은 저압 (대략 003 ATM) 메탄 및 수소로 제조 된 원시 가스 (대략 003 ATM) 메탄과 수소가 대략 900 ° C ° C에서 A 기질에 퇴적됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 마이크로파 플라즈마 CVD 방법

20898_20995[참조로 돌아 가기]

◆ 제거 효율, 전압 효율

LED는 전류를 통과시켜 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하고 결국 외부로 꺼내어 사용합니다 현재, 추출 된 광 에너지에서 외부로 생성 된 광 에너지의 비율을 추출 효율이라고합니다 또한, 생성 된 광자의 에너지에 대한 전자 당 작동 전압의 비율을 전압 효율이라고한다 또한, 초기에 주입 된 전기 에너지에서 추출 된 광 에너지의 비율을 외부 양자 효율이라고합니다 외부 양자 효율은 내부 양자 효율 및 추출 효율의 산물입니다[참조로 돌아 가기]