2016 Fiscal Year Annual Research Report
Study of trapping/scattering dynamics of carriers in crystal singularity by means of positron annihilation
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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16H06424
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
上殿 明良 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20213374)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大島 永康 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 分析計測標準研究部門, 主任研究員 (00391889)
角谷 正友 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (20293607)
石橋 章司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 機能性材料コンピュテーショナルデザイン研究センター, 研究員チーム長 (30356448)
奥村 宏典 筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 結晶 / 空孔型欠陥 / 陽電子消滅 / イオン注入 / 長周期InGaN/GaN超格子構造 / 室温PL発光寿命 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
AlN層のn型化を目指して、様々なドーズ量のSiイオンをAlNに多段注入し、窒素雰囲気下において高温熱処理によるイオン注入の損傷回復を試みた。Siイオン注入時に発生した点欠陥のドーズ量依存性、および熱処理時に発生した点欠陥の温度依存性を、陽電子消滅法を用いて調べた。また、Siイオン注入したAlN層の電気的特性を調べ、点欠陥の観点から、AlN層中の特異構造が電気的特性に与える影響を調べた。
特異構造の点欠陥を高位置精度で陽電子消滅法で評価するシステムを構築することを目標に、陽電子マイクロビーム分析装置の位置分解能を安定的に100マイクロメートル以下で実現するための技術開発をすすめた。特に、陽電子ビーム光学系で用いている電場・磁場の時間的安定度の評価を行い、また、それらが最終ビーム径に及ぼす影響について解析することで、改良設計の指針を決定した。
第一原理材料シミュレータQMASを用いて、AlN中の様々な点欠陥（Al空孔、N空孔、およびそれらの複合体、Al空孔とON複合体など）について、陽電子状態・消滅パラメータ（消滅ガンマ線ドップラー拡がりS・Wパラメータおよび陽電子寿命τ）を計算し、実験結果との比較を容易にするためデータベースを構築した。不規則合金としてモデリングしたAl0.5Ga0.5N、In0.5Ga0.5N、Al0.5In0.5N中のカチオン空孔での陽電子状態・消滅パラメータを計算した結果について、局所構造パラメータなどとの相関を解析した。
イオン半径が大きくGaと混ざりにくいInが誘起する特異構造としてGaNバルク基板上にほぼ同じIn組成を持つInGaN単層膜と25周期InGaN/GaN超格子構造を作製し、陽電子消滅による空孔型欠陥の検出、結晶学的な構造解析と光学的な物性の比較を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
キャップなしの状態で、窒素雰囲気下で1500度の高温処理を行ったAlN層では、表面付近の点欠陥密度が増大することが分かった。5E14cm-2のドーズ量を持つSiイオンを注入したAlN層では、1500度の熱処理でn型の電気的特性が得られた。また、C面SiC基板を購入し、N極性面AlN結晶の成長条件を最適化したところ、高品質化には、Al極性面よりも50度以上高い成長温度が必要であることが分かった。
陽電子マイクロビームで用いるビーム光学系の電場・磁場の出力システムを評価した結果、それぞれの出力安定度を改善できることが明らかとなった。また、電場の安定度は、おおよそ10倍改善できることがわかった。磁場の安定度は、コイル電流電源を置き換えることで、数倍改善できることがわかった。上記の電磁場の安定度改善を実施した場合、陽電子マイクロビーム分析の位置分解能で約100マイクロメートルを安定して達成できるとの解析結果を得た。
本年度導入した計算サーバーで第一原理材料シミュレータQMASが正常かつ効率良く動作することを確認し、他の計算機資源と併用して、実験サイドの研究対象に対応する様々な格子欠陥系での陽電子状態・消滅パラメータの理論計算を遂行することができた。また、実験結果との比較・検討を容易にするため、陽電子消滅パラメータ計算結果のデータベース化する様式を確立した。これにより実験サイドとの効率的な情報交換が可能となった。
InGaN単層膜と25周期InGaN/GaN超格子構造を比較した。X線回折から見られる結晶構造上では特徴的な差は検出されなかったが、陽電子消滅測定から単層膜の方が空孔型欠陥の低減が見られた。InGaN単層膜構造の方が空孔型欠陥の点で良好にもかかわらず、室温での発光寿命が超格子構造の1nsecに対して、単層膜では32psecと極端な劣化が観測された。
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| Strategy for Future Research Activity |
Siイオン注入したAl極性面AlN層に対して、窒素またはアンモニア雰囲気下で1700度以上の高温熱処理を行い、Siドナーの活性化率の更なる向上を目指す。高温イオン注入や共ドーピングを用いて、Siイオン注入したn型AlN層の高キャリア濃度を実現する。また、N極性面AlN層にイオン注入および高温熱処理を行い、陽電子消滅法により点欠陥の挙動を調べる。様々な条件で高温熱処理を行ったAl極性面とN極性面AlN層中における、点欠陥の種類と密度を比較する。
陽電子マイクロビーム分析装置の100マイクロメートル以下の安定的な位置分解能での計測を実現するため、陽電子マイクロビームで用いるビーム光学系の電場・磁場の出力を安定化するシステムを開発する。また、様々なサンプルの特異構造の点欠陥を、短パルス化陽電子ビームを用いた陽電子寿命測定法で評価する。
第一原理材料シミュレータQMASによる窒化物半導体中の各種点欠陥についての陽電子状態・消滅パラメータの理論計算を、実験サイドのニーズを把握した上で、継続的に進めていく。合金系については、H28年度に計算が完了した１：１組成以外の組成についても、陽電子状態・消滅パラメータの理論計算を遂行し、局所構造パラメータなどとの相関について解析を進める。また、必要に応じて積層構造における陽電子状態の理論計算も行なう。その際、圧電効果などを通じてエピタキシャル歪が陽電子分布に与える影響などについても解析を進める。
成長時間を変えたInGaN薄膜を作製し、室温PL発光が劣化する特異構造を誘起する臨界膜厚について検討していく。臨界膜厚前後で、開発中の光熱偏向分光法によるギャップ内準位の欠陥評価やEXAFSによるIn周りの元素配位について観察して、InGaN薄膜の特異構造と物性との相関について明らかにすることを目指す。
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Research Products
(2 results)
