発表のポイント

概要

　東北大学多元物質科学研究所 小島 一信 准教授、秩父 重英 教授は、株式会社サイオクス 堀切 文正氏、成田 好伸氏、吉田 丈洋氏、藤倉 序章氏と協力し、全方位フォトルミネセンス（ODPL）法を用いて、窒化ガリウム結晶における微量な炭素不純物の検出に成功しました。
　持続可能な社会を実現するためには、限りあるエネルギー資源の高効率な利活用技術の開発が必要です。例えば、鉄道や電気自動車のような電力を強い動力に変換して利用する応用では、高耐圧かつ低損失にて電流の整流や電圧変換を行うダイオードやトランジスタといった電子デバイスが重要です。また、照明や通信、太陽光発電などの分野においては、電気エネルギーと光エネルギーとを相互に変換する発光ダイオード（LED）や半導体レーザ、太陽電池といった光デバイスの高効率化が不可欠です。これら半導体デバイスは、用途に応じて様々な材料を用いて製造されますが、なかでも窒化ガリウム（GaN）は、高性能な電子デバイスや光デバイスに適する材料の一つとして注目され、国内外におけるGaNデバイスの開発競争が激化しています。
　GaNに基づく高耐圧トランジスタや高出力LEDの性能を支配する要因の一つに、炭素不純物が挙げられます。炭素は微量でもデバイスの性能を低下させるため、これを高感度に検出する必要があります。しかし、半導体における不純物計測技術は、一般的に破壊検査、もしくは試料に対して電極を形成する必要があるなどの制限がありました。そこで小島准教授らは、半導体結晶の高精度な発光効率計測技術（全方位フォトルミネセンス法）を応用することにより、GaNにおける炭素不純物の高感度かつ非破壊・非接触検出手法を確立しました。またこの結果を用いて、サイオクス社が開発した2.2億分の1以下の濃度でしか炭素を含まない超高純度なGaN結晶であっても、炭素濃度を定量的かつ非破壊に測定可能である事を実証しました。
　本研究の一部は、文科省の「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」および科研費若手研究（A）、挑戦的研究（萌芽）、新学術領域研究「特異構造の結晶科学」の助成を受けています。
成果は応用物理学会と日本物理学会との協同内部組織である物理系学術誌刊行センター (PCPAP)の科学誌Applied Physics Express誌にて12月4日にオンライン公開されました。
プレスリリース本文（PDF）

図：GaNにおける炭素不純物とバンド端近傍の発光量子効率の関係。

論文情報：
“Roles of carbon impurities and intrinsic nonradiative recombination centers on the carrier recombination processes of GaN crystals”
Kazunobu Kojima, Fumimasa Horikiri, Yoshinobu Narita, Takehiro Yoshida, Hajime Fujikura, and Shigefusa F. Chichibu
Applied Physics Express, 13, 012004(2020)
DOI: 10.7567/1882-0786/ab5adc

関連リンク：
量子光エレクトロニクス研究分野（秩父研究室）
東北大学ウェブサイト
株式会社サイオクス