2017 Fiscal Year Research-status Report
顕微分光法によるGaInN混晶半導体のポテンシャル障壁の定量解析と高効率化モデル
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16K06264
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
倉井 聡 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (80304492)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 空間分解分光 / 窒化インジウムガリウム / ポテンシャル障壁 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
InGaN/GaN量子井戸(QW)構造中の貫通転位を起点として形成される成長ピットに起因したポテンシャル障壁について、緑色QWにおける直接観測を主眼とした評価を行った。昨年度の室温での評価結果を元に、c面サファイア基板上に作製された緑色QW構造について、近接場光学顕微分光(SNOM-PL)法により、貫通転位近傍の局所的なバンドギャップエネルギーの分布を評価した。評価は低温(30～40 K)にて、微小開口プローブ(60 nm)を用いて行った。低温SNOM-PL測定においても室温時と同様にInGaN QW発光の高エネルギー側に発光が現れる領域が局所的に観察された。室温時に高エネルギー発光領域がGaN発光の明領域で観測されたのに対して、低温では高エネルギー発光領域はGaNの明領域に加えて、GaNの暗点(非輻射再結合中心である転位に対応)でも観察された。この実験事実は、緑色QWにおいても貫通転位近傍にポテンシャル障壁が自己形成されること示している。また、低温で観察されていた暗点近傍の高エネルギー発光領域が、非輻射再結合中心の熱的活性化の影響で室温で観察されなくなることも示された。発光エネルギー差からポテンシャル障壁高さは200～300 meVと見積もられた。室温で観測されたGaN明領域の高エネルギー発光の起源としてプレナー量子井戸の局所的膜厚減少が考えられ、高温での成膜が難しい緑色QWにおいて顕著化したものと考えられる。
さらに低温78 Kにおいて走査電子顕微鏡-カソードルミネッセンス(SEM-CL)法を用いて、ポテンシャル障壁の評価を試み、ポテンシャル障壁高さを見積もったところ、SNOM-PL法で評価した場合と比較して低エネルギーとなった。この差はSNOM-PL法とSEM-CL法の評価法の違いにより説明可能であり、SEM-CL法の有用性と妥当性に関する指針を与えた。
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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
InGaN/GaN QW構造のポテンシャル障壁高さに関する定量的な見積もりを行った。緑色QWの低温SNOM-PL測定において、GaNの暗点(貫通転位)に関与したポテンシャル障壁の障壁高さが200～300 meVと非常に大きいことを示した。このことから、緑色QWにおいてもポテンシャル障壁は形成されており、貫通転位でのキャリア捕獲を抑制するに十分な高さを有するが、点欠陥等の影響および内部電界による輻射再結合寿命の長寿命化の影響が顕著であり、ポテンシャル障壁の効果を打ち消しているという描像が示唆された。従って、結晶性の改善が進むことでポテンシャル障壁の発光効率への寄与が顕在化する可能性は残している。
H30年度に計画していたピエゾ電界の影響を受けない結晶面方位についてのInGaN/GaN量子井戸構造については試料の入手が現状困難であるため、一部計画を変更する。
また、派生的にAlGaN/AlGaN QW構造における貫通転位近傍のバンドギャップエネルギーについて、カソードルミネッセンス法による顕微分光評価を実施した。その結果、貫通転位位置において局所的に、AlGaN QW主発光の高エネルギー側の発光線が観測された。本試料では表面ピット等は観測されておらず、InGaN系とは異なるメカニズムで貫通転位近傍の局所ポテンシャル障壁が形成される可能性を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
InGaN/GaN QWの高エネルギー発光は幅広い波長帯に現れることがわかっている。平成30年度は、発光エネルギー毎の特徴(ポテンシャル障壁、別の構造不均一などの違い)を区別して議論しうるか検討を行い、ポテンシャル障壁への理解を深化させる。
また、本来計画していた半極性面、無極性面InGaN試料との比較を行う目処が立っていない。このため実験計画を変更する。励起光強度を変化させてSNOM-PL法による発光特性の空間分布を評価する。特にポテンシャル障壁の発光が半極性面からの発光であることに着目し、プレナー面(c面)との比較考察を実施できる。励起強度増加に対する暗点のフィリングや、発光帯のレッドシフトなどがSNOM-PLマッピング結果に影響を与えることが予想される。このことは、発光エネルギー毎の特徴を区別する上でも有用となる可能性がある。
さらに、平成29年度中に派生的に見出したAlGaN QWにおける局所高エネルギー発光について、QW構造が異なる試料について評価を行い、様々な構造パラメータに対するエネルギー差を同定することにより、その起源について明らかにすることも並行して実施する。
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Research Products
(6 results)
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[Presentation] 近接場光学顕微分光測定による緑色発光InGaN量子井戸構造の高エネルギー発光成分の評価(2)2017
Author(s)
倉井聡, 三原練磨, 野畑元喜, 大川康平, 槇尾凌我, 岡田成仁, 只友一行, 矢野良樹, 田渕俊也, 松本功, 山田 陽一
Organizer
第78回応用物理学会秋季学術講演会
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