東北大ら,極低温でGaNの発光効率計測に成功

東北大学と浜松ホトニクスは,全方位フォトルミネセンス(ODPL)法を用いて,極低温下における窒化ガリウム結晶の絶対発光効率計測に成功した(ニュースリリース)。

窒化ガリウム(GaN)に基づく高耐圧トランジスタや高出力LEDの性能を支配する要因には不純物や原子空孔欠陥が挙げられる。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るものがある。

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」が発生する。さらに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。

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,再現性に乏しいことが知られている。このため研究グループは,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温度可変ODPL装置を新しく設計・構築し,絶対零度に近い極低温(約-261℃)下において,GaN結晶の発光効率の計測に成功した。

その結果,従来,極低温では発光を阻害する要因(結晶欠陥や非発光性の不純物など)の働きが抑えられ,発光効率はほぼ100%になると考えられてきたが,実際には必ずしも100%にならないことが明らかとなった。また,発光効率と発光強度の温度に対する依存性も異なることが明らかとなり,結晶の発光を支配する物理現象を,より正確に評価するために必要な測定手法が開発されたとしている。

この成果は,ごく微量の結晶欠陥や不純物がGaN結晶に与える影響を明らかにするものであり,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,様々な半導体デバイスの開発・製造を加速させる。

今回の計測法は,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直ちに適用が可能だという。また,励起光の照射位置を変化させることにより,結晶全面を検査することも可能になるとしている。

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