2021 Fiscal Year Annual Research Report
Epitaxial growth of largely lattice-mismatched thin films on GaAs and its application to infrared photodetectors
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19K04480
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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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)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、安心・安全社会の実現に不可欠な安価で高性能な赤外線検出器実現に向けた、GaAs(111)A基板上の低貫通転位密度の高品質In（Ga）As成長とその赤外線検出器応用に関する研究を行った。初めに、我々が開発したInGaAs-GaAs(111)A界面に極薄InAs層を挿入することにより格子緩和が促進されるATLAS法に関して、InAs挿入層の成長条件最適化に取り組んだ。成長温度や熱処理過程が貫通転位密度、X線ロッキングカーブ半値幅、表面平坦性、移動度に与える影響を調べた。低温InAs成長層の導入によりロッキングカーブ半値幅の大幅な低減効果が得られたが、貫通転位密度は増加して移動度は低下してしまった。このことから、結晶性評価の指針として広く用いられるロッキングカーブの半値幅の改善が必ずしも結晶品質の向上につながらないことが明らかとなった。この手法により作製したGaAs上のInGaAsのp-i-n構造を用いた赤外線検出デバイスを試作して、その動作を検証したが、貫通転位の存在などにより、特性は望ましいものとはならなかった。そこで、急峻に格子緩和が起きるInAs/GaAs(111)A界面に着目した新しいアイデアを試みた。バンドギャップの大きく異なるn-GaAsとn-InAsが急峻な界面で接合するとバンドが大きく曲がり、GaAs側には欠陥の無い障壁が形成される。これにより、極めて暗電流の低い赤外線検出素子が実現できることを明らかにした。シンプルな構造であるが、液体窒素温度の条件でほぼ暗電流ゼロで、2～3ミクロン帯の赤外線検出特性が観察された。最終年度はデバイス構造や測定系の最適化等を行い、3ミクロンを超える波長域の室温までの分光感度特性を観察した。この結果は、新しい原理に基づく安価で高品質な赤外線検出器の実現につながるものと考えられる。
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