東北大、独自の計測法でGaN結晶の発光量子効率と光吸収の関係を解明

東北大学は10月29日、独自開発した「全方位フォトルミネセンス計測法」にて観測した「GaN(窒化ガリウム)」の発光スペクトルに特有の双峰性形状が、結晶の持つ光吸収に起因していることを発見したと発表した。

同成果は、東北大多元物質科学研究所の小島一信准教授、同・秩父重英教授らの研究チームによるもの。詳細は、米物理協会が刊行する科学誌「Applied Physics Letters」にオンライン掲載された。

エネルギーを効率よく利用するためには、高耐圧かつ低損失にて電流の整流や電圧変換を行うダイオードやトランジスタなどが必要だ。また、電気エネルギーを光エネルギーに変換するLEDや半導体レーザー、その反対に光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池なども常に高効率化が求められている。そうした中、これらの半導体デバイスの高効率化を実現できる材料として注目され、世界中で開発競争が激化している材料が「窒化ガリウム」(GaN)だ。

GaNに基づく高耐圧トランジスタや高出力LEDの性能に多大な影響を与える要因が、不純物や原子空孔欠陥などだ。不純物や原子空孔欠陥の中には、特有のエネルギー準位を形成することにより、光デバイスの発光効率を低下させてしまうものもある。また結晶に強い電界が印加されると、このような準位は電子の発生源として働くため、トランジスタがOFFの状態でも電流が流れてしまう「電流リーク」が発生してしまう。さらにこのような不純物や原子空孔欠陥は、微量であっても結晶の発光効率を低下させるため、高感度かつ高精度な検出手法が望まれている。

こうした背景を受け、これまで小島准教授らは、半導体結晶の高精度な発光効率の計測手法である全方位フォトルミネセンス計測法(ODPL法)を提案し、積分球を核とする分光技術を駆使した半導体ウェハの高速・高感度検査手法の確立や、極低温下における発光量子効率測定を実現させてきた。

GaNは直接遷移型半導体と呼ばれ、外部から励起を受けると特有の光を放出することが特徴だ。例えば、GaNに窒化インジウム(InN)を混ぜたInGaNは、青色LEDの発光層に利用されている。

この時、結晶欠陥の少ない結晶ほど強く発光するため、発光量もしくは発光効率を指標とすることによって結晶の品質管理が可能となる。ただし、光計測は一般に瞬時かつ感度が高いという利点があるが、一方で計測者の技量によってその強度が簡単に揺らぐため、再現性に乏しいことが課題である。

そこで小島准教授らは、積分球と呼ばれる装置内に試料を配置して、結晶から放出された光を全方位に渡って集めることで、発光量や効率を絶対測定する方法に着目し、評価技術の改善に取り組んできたという。

今回の研究では、結晶を冷却しつつも積分球が熱的に分離できる独自の温度可変ODPL装置を用いて、室温から絶対零度に近い極低温(約-261℃)まで、幅広い温度域においてGaN結晶の発光スペクトルが測定された。

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  (a)温度可変全方位フォトルミネセンス(ODPL)計測装置の概略図。(b)室温において計測されたODPLスペクトルと標準PL(SPL)スペクトル。(c)極低温下において計測されたODPLスペクトルおよびSPLスペクトル。発光強度比ρはODPLスペクトルをSPLスペクトルにて除したもの。光吸収が強いエネルギー領域ではρが1に収束(規格化したODPLスペクトルとSPLスペクトルとが一致)している (出所:東北大プレスリリースPDF)

また理論モデルの構築が行われ、結晶内部にて生じた発光が、結晶の光吸収の度合いに応じて結晶内を伝搬する様子を、コンピュータシミュレーションを用いて再現することも試みられた。その結果、ODPLスペクトルに特徴的に見られるスペクトルの双峰性形状が、結晶のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギー領域に存在する光吸収の裾(Urbach-Martienssen tail)に起因することが発見されたのである。

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  (a)ODPLスペクトルをSPLスペクトルにて除した発光強度比ρを、さまざまな温度にて計測を行ったグラフ。(b)(a)を拡大し、ρを外挿したもの。ρはODPLスペクトルをSPLスペクトルにて除したものだ。異なる温度にて計測したにもかかわらず、すべてのデータ外挿線が座標上の共通点(E,ρ)=(3.539eV,-6.306)を通過した。これは、ρがUrbach-Martienssen tailと同じ性質を持つことを意味しているという (出所:東北大プレスリリースPDF)

今回の研究成果は、GaN結晶の発光量子効率と光吸収の関係を明らかにするものであり、さらには簡便な方法にて半導体結晶の光吸収スペクトル計測を可能にするものだという。そのため、GaNウェハ上に作製されるパワートランジスタやLED、半導体レーザー、太陽電池など、さまざまな半導体デバイスの開発・製造を加速させるものと期待されるとしている。

そしてODP計測法は、直接遷移型半導体であれば無機材料だけでなく有機材料にも適用が可能であるため、今後、GaN以外のさまざまな光材料についても検証を行っていく予定としている。