東北大,GaNの発光量子効率と光吸収の関係解明

東北大学は,全方位フォトルミネセンス(ODPL)計測法にて観測される発光スペクトル(ODPLスペクトル)に特有の双峰性形状が,結晶のもつ光吸収に起因していることを発見した(ニュースリリース)。

窒化ガリウム(GaN)は,高性能な電子デバイスや光デバイスに適する材料の一つとして注目されているが,GaNによる高耐圧トランジスタや高出力LEDの性能を支配する要因として,不純物や原子空孔欠陥がある。

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たり,電流リークの原因となったりする。このような不純物や原子空孔欠陥は,極めて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。

研究で着目した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。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。

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。そこで研究グループは,積分球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。

今回,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を測定した。また理論モデルを構築し,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ーを用いて再現することを試みた。

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(UrbachMartienssen tail)に起因することを発見した。この成果は,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する。

そのため,GaNウエハー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,様々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いう。研究グループは今後,ODPL計測法をGaN以外の様々な光材料についても検証を行なうとしている。

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