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Nondestructive measurement of crystal defects using multiphoton excitation photoluminescence

Publicly Offered Research

Project AreaMaterials Science and Advanced Elecronics created by singularity
Project/Area Number 19H04532
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

谷川 智之  大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90633537)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords多光子顕微鏡 / 転位 / 半導体 / 三次元イメージング / フォトルミネッセンス / 窒化ガリウム / シリコンカーバイド / 多光子励起フォトルミネッセンス / GaN / 特異構造 / 欠陥
Outline of Research at the Start

持続可能な低炭素社会の実現に向けて、次世代半導体を用いた極めて損失の少ない発光デバイスやパワーデバイスが求められている。本研究では、次世代半導体を用いたパワーデバイスを実現するために必要な結晶欠陥の非侵襲観察技術の研究を行う。観察には、多光子励起フォトルミネッセンスを用いる。欠陥がキャリアを捕獲する性質を利用し、三次元発光分布から欠陥の位置を特定し、発光コントラストや三次元形状から欠陥の種類や性質を分類する技術の構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

多光子励起フォトルミネッセンス法によるワイドギャップ半導体の非破壊結晶欠陥手法の確立に向けて、GaNおよびSiCの結晶欠陥の観察方法および識別方法の確立を目的としている。昨年度までに、GaN結晶中の貫通転位とSiC結晶中の貫通転位、基底面転位、積層欠陥を検出するための観察条件を確立した。また、GaNの貫通転位が刃状・らせん・混合に分類できる可能性を示した。令和2年度は、さらに高精度に転位種を識別するために、多光子励起フォトルミネッセンスで観察される像の輝度や形状を数値化し、統計的分類を試みた。さらに、エッチピット法に基づく転位種の識別結果と照合し、バーガースベクトル毎に5種類に分類できることを示した。
ハライド気相成長法を用いて作製したn型GaN自立基板に対し、以下の手順で評価を実施した。まず、440 ℃のKOHとNaOH融液にGaN基板を浸してエッチピットを形成し、ピットの形状やサイズを基に転位種を識別した。次に多光子励起フォトルミネッセンス法を用いてGaNのバンド端近傍発光の三次元イメージングを行い、ピットから深部の転位を観察した。次に、ピットのサイズや形状と多光子励起フォトルミネッセンス像の対応を調べ、多光子励起フォトルミネッセンス像で観察される貫通転位の特徴を転位種ごとに考察した。最後に、多光子励起フォトルミネッセンス法で観察された貫通転位の濃淡や結晶c軸からの傾斜角や面内の方位角を抽出し、ヒストグラムを作成し分類を試みた。
エッチピットは、サイズや形状を基に5種類に分類された。ピットサイズはバーガースベクトルbの大きさによって序列が決まることから、主となるb=1a, 1c, 1a+1cの転位のほかに、b=2cやb=2a+1cのような大きな成分を持つ貫通転位の存在が示唆された。主となる転位について、輝度と傾斜角から統計的に分類することができた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Identification of Burgers vectors of threading dislocations in freestanding GaN substrates via multiphoton-excitation photoluminescence mapping2021

    • Author(s)
      Tsukakoshi Mayuko、Tanikawa Tomoyuki、Yamada Takumi、Imanishi Masayuki、Mori Yusuke、Uemukai Masahiro、Katayama Ryuji
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Issue: 5 Pages: 055504-055504

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abf31b

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nondestructive characterization of GaN by multiphoton-excitation photoluminescence mapping2021

    • Author(s)
      Tanikawa Tomoyuki、Tsukakoshi Mayuko、Uemukai Masahiro、Katayama Ryuji
    • Journal Title

      Proceedings Volume 11686, Gallium Nitride Materials and Devices XVI

      Volume: 116861Z Pages: 58-58

    • DOI

      10.1117/12.2584794

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multiphoton Microscopy2020

    • Author(s)
      Tanikawa Tomoyuki
    • Journal Title

      Characterization of Defects and Deep Levels for GaN Power Devices

      Volume: - Pages: 1-22

    • DOI

      10.1063/9780735422698_007

    • ISBN
      9780735422704, 9780735422698, 9780735422728, 9780735422711
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Growth of GaN and improvement of lattice curvature using symmetric hexagonal SiO2 patterns in HVPE growth2019

    • Author(s)
      Fujimoto Satoru、Itakura Hideyuki、Tanikawa Tomoyuki、Okada Narihito、Tadatomo Kazuyuki
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Issue: SC Pages: SC1049-SC1049

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab1125

    • NAID

      210000156181

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Observation of Dislocations in Graded Buffer Layers of IMM Single Junction InGaAs Solar Cells by Two-Photon Excitation Photoluminescence2019

    • Author(s)
      Ogura Akio, Tanikawa Tomoyuki, Takamoto Tatsuya, Oshima Ryuji, Suzuki Hidetoshi, Imaizumi Mitsuru, Sugaya Takeyoshi
    • Journal Title

      2019 IEEE 46th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)

      Volume: - Pages: 0273-0276

    • DOI

      10.1109/pvsc40753.2019.8981390

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Nondestructive characterization of GaN by multiphoton-excitation photoluminescence mapping2021

    • Author(s)
      T. Tanikawa, M. Tsukakoshi, M. Uemukai, R. Katayama
    • Organizer
      SPIE Photonics West: Conference 11686 -Gallium Nitride Materials and Devices XVI-
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Core structure of threading dislocations in GaN2021

    • Author(s)
      T. Kiguchi , Y. Kodama, Y. Hayasaka, T. Tanikawa, and T. J. Konno
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] "Classification of threading dislocations in HVPE-grown n-type GaN substrates by multiphoton-excitation photoluminescence imaging"2021

    • Author(s)
      M. Tsukakoshi, T. Tanikawa, M. Uemukai, R. Katayama
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 多光子励起フォトルミネッセンスによる結晶欠陥の非侵襲観察2021

    • Author(s)
      谷川智之
    • Organizer
      2021年2月24日新学術領域研究 特異構造の結晶科学 オンライン成果報告・連絡会(Zoom)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] GaN結晶中の貫通転位の非破壊分類に向けた多光子励起PLマッピング像とラマンマッピング像の相関解析2021

    • Author(s)
      谷川智之、足立真理子、寺田陸斗、塚越真悠子、上向井正裕、片山竜二
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Correlation between etch pit size and threading dislocation propagation habit in GaN substrate observed by multiphoton-excitation photoluminescence2020

    • Author(s)
      M. Tsukakoshi, T. Tanikawa, M. Uemukai, R. Katayama
    • Organizer
      8th International Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Application (LEDIA2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comparative study of dislocation classification in HVPE-grown GaN by etch pit method and multiphoton-excitation photoluminescence imaging2020

    • Author(s)
      M. Tsukakoshi, T. Tanikawa, M. Uemukai, and R. Katayama
    • Organizer
      第39回電子材料シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 多光子励起フォトルミネッセンス法によるHVPE-GaN結晶の貫通転位の観察と分類 (2)2020

    • Author(s)
      塚越真悠子、谷川智之、上向井正裕、片山竜二
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] "多光子励起フォトルミネッセンス測定における 集光スポットサイズを考慮した GaN結晶中の貫通転位の判別"2020

    • Author(s)
      塚越真悠子、谷川智之、上向井正裕、片山竜二
    • Organizer
      日本結晶成長学会ナノエピ分科会「第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 多光子励起フォトルミネッセンス法によるHVPE-GaN結晶中貫通転位の観察と分類2020

    • Author(s)
      塚越真悠子、谷川智之、上向井正裕、片山竜二
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report
  • [Presentation] GaN縦型p-nダイオードにおける2光子吸収光電流の測定2020

    • Author(s)
      川崎晟也、安藤悠人、田中敦之、塚越真悠子、谷川智之、出来真斗、久志本真希、新田州吾、本田善央、天野浩
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Three-dimensional imaging of threading dislocations in GaN crystals using two-photon excitation photoluminescence2019

    • Author(s)
      谷川智之、大西一生、加納聖也、向井孝志、松岡隆志
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 多光子励起による窒化ガリウム結晶の時間分解フォトルミネセンス分光(2)2019

    • Author(s)
      小島一信,谷川智之,粕谷拓生,秩父重英,田中敦之,本田善央,天野 浩,上向井正裕,片山竜二
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 多光子励起による窒化ガリウム結晶の時間分解フォトルミネセンス分光(1)2019

    • Author(s)
      谷川智之,小島一信,粕谷拓生,秩父重英,田中敦之,本田善央,天野 浩,上向井正裕,片山竜二
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 多光子顕微鏡によるGaN結晶中の転位伝搬評価2019

    • Author(s)
      谷川智之, 松岡隆志
    • Organizer
      第145委員会,第161委員会 合同研究会 「窒化物半導体における欠陥低減技術の進展と評価技術の最前線」
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Nondestructive defect characterization of widegap semiconductors using multiphotonexcitation photoluminescence2019

    • Author(s)
      T. Tanikawa, M. Uemukai, R. Katayama
    • Organizer
      9th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multiphoton-Excitation Photoluminescence: Novel Nondestructive Deffect Characterization Technology2019

    • Author(s)
      T. Tanikawa, T. Matsuoka
    • Organizer
      19th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-19) and the 19th US Biennial Workshop on Organometallic Vapor Phase Epitaxy (OMVPE-19)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Observation of Dislocations in Graded Buffer Layers of IMM Single Junction InGaAs Solar Cells by Two-Photon Excitation Photoluminescence2019

    • Author(s)
      A. Ogura, T. Tanikawa, T. Takamoto, R. Oshima, H. Suzuki, M. Imaizumi, T. Sugaya
    • Organizer
      46th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC 46)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 使える次世代半導体の実現 GaN半導体の結晶欠陥を非破壊で識別する技術

    • URL

      https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210428_1

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2021-12-27  

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