Epitaxial growth of largely lattice-mismatched thin films on GaAs and its application to infrared photodetectors

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04480
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 間野 高明 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, 主幹研究員 (60391215)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 分子線エピタキシー / ガリウム砒素 / インジウム砒素 / 赤外線検出器 / 格子緩和

Outline of Annual Research Achievements

令和1年度の研究で新たに見出したInAs/GaAs(111)Aヘテロ界面を用いた赤外線検出器に関する研究開発を行った。素子の基本構造は、InAs、GaAsともにn型ドープのシンプルなヘテロ接合である。極めて単純な構造であり、また、InAs中には低密度の貫通転位が形成されていることも確認されているが、77Kで0～1Vの範囲で1x10-9A/cm2以下という極めて低い暗電流値が実現可能なことが明らかとなった。今回、その低暗電流の機構を明らかにするためにバンド計算を行った。大きなバンドオフセットを持つn型のInAsとGaAsが接合することによりGaAsのバンドが大きく上に曲がり界面の伝導帯に大きな障壁が形成されることが分かった。GaAs層は転位がなく高品質であるため、電子に対する有効な障壁層として動作することが期待される。価電子帯はInAs→GaAsには巨大な障壁があるため、順方向電流には寄与しないと考えられる。このバンド構造が、低暗電流特性の起源であると考えられる。一方、電子(正孔)の流れを完全にブロックしてしまうと、光検出器としての動作は期待できない。InAs-GaAs界面に厚さの異なるノンドープGaAs層を挿入した試料を作製し特性を比較したところ、界面層が薄い場合はトンネル効果により、暗電流が大幅に増加することが分かった。膜厚を増加させると、暗電流値が下がっていき、暗電流が低下し素子特性が向上することが分かった。以上から、Undoped-GaAs層の厚さを適切に調整して電子が適量トンネル可能なように設計することが鍵となることが示唆されている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

GaAs基板上に形成した格子緩和膜の膜質に関しての一定の品質向上は見られたが、貫通転位を激減させることは達成できていない。その一方で、素子構造を工夫して新しい原理を考案することで、非常に暗電流の少ない赤外線検出器実現の可能性を示唆する実験結果が得られていることからおおむね順調の進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

新たに見出した赤外線検出器に関して、成長条件を変えた試料をいくつか作製した結果、この赤外線検出器の動作には、GaAsの障壁高さとその厚さが極めて重要であることが分かってきている。完全に電子の流れをブロックしてしまうと赤外線検出はできず、薄すぎると電子が流れすぎることにより暗電流増加が生じる。電子が三角障壁を適度にトンネルできる設計が必要であり、バンド計算を行いながら構造最適化を図る。三角障壁をトンネルしてInAsに電子が注入されてもInAs中に赤外線吸収はバンド間遷移であるために、それだけでは光電流は流れない。まだ完全には明らかになっていないが、InAsとGaAs界面に蓄積した電子と、光吸収によりInAs中で生成された正孔が界面付近で再結合することにより電流が流れる機構を現状では考えている。電流電圧特性やバンド計算を比較しつつ、検出器の動作機構を明らかにして、それをもとに構造の最適化を図っていく。また、量子効率改善に向けた取り組みを行う。現在は300-500nm程度のInAs層を用いており、量子効率は1％程度にとどまっている。単純に膜厚を厚くしても量子効率の劇的な改善が見られないことが明らかとなっており、素子全体の電圧印可状態でのバンド構造を考慮して構造の最適化を図る。さらに、今後のさらなる研究の展開のために、検出波長域拡大に関する検討も開始する。

Causes of Carryover

納期の関係で、一部消耗品の購入を見送ったため次年度使用額が生じた。
消耗品の購入に充てる。