2017 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of terahertz emission mechanism on gallium nitride and its application to evaluation method
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16H04330
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
川山 巌 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (10332264)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | テラヘルツ波 / ワイドギャップ半導体 / 窒化ガリウム / シリコンカーバイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フェムト秒レーザーパルスにより半導体中に発生した光励起キャリアが拡散や内部電場によって流れることにより過渡的な電流が発生する。これまでに自発分極が面内方向(c軸方向)に存在するm面 GaN をレーザーテラヘルツ放射顕微鏡(LTEM)により観察し、c 軸と平行な自発分極により放射THz 波が増強されていることを確認した。また、m面GaN試料表面において、一部位相が反転している領域が確認し、結晶成長中の不整合により混入した分極反転ドメイン観測にも成功している。
本年度はGaNだけでなく、ワイドギャップ半導体であるSiCに関して計測を行い、4H-SiCウエハ・熱酸化膜の特性評価を試みた。その結果、4H-SiCウエハのSi面とC面から放射されたTHz波の特性においては、C面のTHz波振幅強度がSi面に比べて約2.5倍強いことがわかった。また、4H-SiCウエハにおいてSi面エピ層有り・無しを比較した場合、エピ層有りでは、無しに比べて約22倍強いTHz波振幅強度が得られた。エピ層がTHz波放射強度に強く影響を与えており、興味深い結果と考えている。
次に、4H-SiCをウエット熱酸化(RCA+HF洗浄、酸化温度1000度）により成膜したC面のSiO2膜厚とTHz波振幅強度の関係計測した。その結果、SiO2膜厚50マイクロメートル付近でTHz波振幅強度が最大となった。THz波発生原理から、主にSiO2/SiC界面の空乏層からTHz波が放射されており、LTEMにより酸化膜評価に重要な界面電場情報を含んでいることを示唆している。
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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
本研究では、1）面方位の異なるGaNからのTHz放射計測、2）ポンプ・プローブLTEM/LTESによるキャリアの選択的励起とダイナミクス計測、3）他のワイドギャップ半導体からのテラヘルツ放射特性との比較、４）実験項目1)、2)の温度依存性を計測の3つの実験を行う予定である。項目1）に関しては、当初予定しいたm面GaNの面内の分極構造を精度良く計測することに成功し、さらに当初考えていなかった分極反転領域を明瞭に観察し、また面内だけでなく面に垂直な分極成分を分離することにも成功した (APL Photonics, Vol. 2, 041304 (2017) )。
また、実験3）に関しては、SiCにおいてGaNとは異なる興味深いふるまいが見られており、予定通りに進んでいる。また、実験4）においても、温度依存性計測システムの構築が終了し、予備実験を行うなど、順調に推移している。
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| Strategy for Future Research Activity |
すでに述べたようにTHz波の不純物・欠陥による増強は、アクセプタ準位への電子のトラップにより、表面ポテンシャルが増加したためである考えている。このことを検証するため、超短パルスレーザーの基準波以外に2倍高調波(SHG)および3倍高調波(THG)を利用したポンプ・プローブLTEM/LTESを構築し、不純物・欠陥準位を介した遷移プロセスにおいて、THz放射強度がどのように変化するか、サブピコ秒オーダーの時間分解能で検証する。また、当初の予定にはなかったが、表面分極構造をよろ詳細に可視化するため、テラへウルツ放射の偏光方向のベクトルマッピングシステムを構築し、GaNの表面分極構造を計測する予定である。クライオスタットをLTEM/LTESに組み込み、テラヘルツ放射強度の温度変化を測定するシステムの構築は終了したので、30年度はこのシステムによる温度依存性を計測し、GaNの不純物・欠陥準位および表面準位の平衡状態での占有確率とテラヘルツ放射特性との相関を検証する。
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