大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの川山巌准教授らのグループは、株式会社SCREENホールディングス と共同で、レーザー照射によって発生するテラヘルツ波を計測し可視化するレーザーテラヘルツエミッション顕微鏡(LTEM) により、窒化ガリウム（以下GaN）の表面に存在する欠陥濃度の変化を可視化することに成功しました。

GaNに代表されるワイドギャップ半導体 は、青色LEDなどの光デバイスとして広く普及しており、次世代の省エネルギーパワーデバイス材料や次世代太陽電池材料としても期待されています。しかし、その結晶品質はシリコン（Si）などの従来の半導体材料に比べ十分とは言えず、パワーデバイスへの普及を妨げる要因となっています。そのため、ワイドギャップ半導体において、欠陥や転位の少ない高品質な結晶育成技術の確立が求められており、新たな評価技術の開発が重要です。

この発見は、LTEMがワイドギャップ半導体の品質を評価する新たな手法として有用であることを示しているだけでなく、次世代の光デバイス、超高周波デバイス、エネルギーデバイス開発のブレークスルーをもたらすことが期待されます。

本研究成果は、英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』（9月9日付け）に掲載されました。

a.半導体表面からのテラヘルツ放射の概念図　b.GaN表面における欠陥濃度が低い領域と高い領域のバンド構造の比較
aに示すように、GaNなどの半導体表面近傍では、表面ポテンシャル の影響によりエネルギーバンドが曲がっており、光励起されたキャリアがこのバンドの曲がりにより加速され、その結果としてテラヘルツ波が放射されていると考えられます。今回の欠陥によるテラヘルツ波放射強度の変化は、bに示すように、表面付近の欠陥にトラップされた電子によりエネルギーバンドがより大きく曲がり、その結果としてキャリアがより大きく加速されることが原因と考えられます。このことは、LTEMがワイドギャップ半導体表面の欠陥濃度や表面ポテンシャルの分布を計測手法として有効であることを示しています。

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターでは、テラヘルツ波を用いた機能性材料・デバイスの評価手法の開発を進めており、これまでに超伝導電流、強誘電体ドメイン構造および半導体集積回路の電界分布などの可視化に成功しています。近年はSCREENホールディングスと共同でLTEMを用いた太陽電池の検査技術を共同開発し、実証機開発に成功するなど、その実用化に向けた研究開発も着実に行われています。

GaNに代表されるワイドギャップ半導体は、青色LEDなどの光デバイスとして広く普及していますが、次世代の省エネルギーパワーデバイス材料や次世代太陽電池材料としても期待されています。しかし、その結晶品質はSiなどの従来の半導体材料に比べ十分とは言えず、信頼性が重要視されるパワーデバイスへの普及を妨げる要因となっています。そのため、ワイドギャップ半導体において、欠陥や転位の少ない高品質な結晶育成技術の確立が求められています。また、デバイス開発も精力的に行われていますが、GaNの大きな表面ポテンシャルにより、ノーマリーオフ動作 が困難であることが大きな課題となっています。このような、ワイドギャップ半導体結晶およびデバイスにおける課題を解決するためには、新たな評価技術の開発が重要です。

ワイドギャップ半導体の欠陥の評価手法としては、励起された正負のキャリアの再結合による発光（ルミネッセンス）により結晶中に含まれている欠陥を分析する方法(エレクトロルミネッセンス、フォトルミネッセンスなど)が広く行われています。しかし、今後さらに結晶品質を向上させるためには、ルミネッセンスの伴わない非輻射再結合に関わる欠陥の検出も必要であると考えられています。

GaN結晶表面に紫外線フェムト秒（1フェムトは1,000兆分の1秒）レーザーパルスを照射することにより、テラヘルツ波が発生します。今回、LTEMを用いて発生したテラヘルツ波の強度分布を調べました （図1） 。その結果、テラヘルツ波放射強度の高い領域と低い領域が存在することがわかりました。

図1　GaN表面のLTEM像

また、LTEM像と、従来手法のフォトルミネッセンスにより得られた像を比較すると、格子欠陥に起因する発光の強度の分布とテラヘルツ波放射の強度分布に強い相関があることがわかりました （図2）。

図2　GaN表面におけるフォトルミネッセンス(PL)とテラヘルツ波放射強度分布

さらに励起レーザー波長を変化させて測定して得られた結果から、テラヘルツ波の放射にはバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを持つ励起光が必要であることが確認できました。

今回の研究は、LTEMを用いることにより、GaN表面の欠陥濃度の変化を測定できること初めて明らかにしたものです。今回測定した欠陥は従来手法でも観測できるものですが、従来手法では検出できない、発光を伴わない非輻射性の欠陥の検出も原理的には可能です。また、この手法では局所的な表面ポテンシャルの変化を非接触で検出可能であるため、デバイス評価技術としても応用可能であり、パワーデバイス開発において問題となっている、デバイスのノーマリーオフ化などにも貢献できると考えています。このように、本手法はワイドギャップ半導体の新たな評価手法となり、次世代の光デバイス、超高周波デバイス、エネルギーデバイス開発のブレークスルーをもたらすことが期待されます。

本研究成果は、英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』（9月9日付け）に掲載されました。

【論文タイトル】Visualization of GaN surface potential using terahertz emission enhanced by local defects（Scientific Reports 5, 13860 (2015))
【著者】Yuji Sakai, Iwao Kawayama, Hidetoshi Nakanishi, Masayoshi Tonouchi