大阪大学レーザー科学研究所の中嶋誠准教授、工学研究科大学院生のAgulto, Verdad C. (アグルト, ヴァーダッド C.)さん（博士後期課程）、大阪大学レーザー科学研究所のMag-usara, Valynn K. (マグウサラ, ヴァリン K.)特任研究員、日邦プレシジョン株式会社の岩本敏志博士、東京農工大学大学院工学研究院の熊谷義直教授、村上尚准教授、後藤健助教らの研究グループは、従来の電極生成や接触による材料の汚染が避けられない測定手法に代わる非接触・非破壊の革新的な評価手法であるテラヘルツ時間領域分光法を用いて、次世代のパワーデバイス・超高周波動作デバイス材料として着目されている半導体酸化ガリウム：β-Ga₂O₃のテラヘルツ領域の屈折率やキャリア密度等の電気特性評価に成功しました。

b型酸化ガリウム（β-Ga₂O₃）は、シリコン(Si)をはじめ、炭化シリコン（SiC）や窒化ガリウム（GaN）と言った現在の商業利用されている半導体に比べて、変換効率の優れた材料特性を持ち、パワーエレクトロニクス産業に革命をもたらすことが期待されています。また、これまでワイドギャップ半導体として知られてきたSiCやGaNよりさらに広いバンドギャップを持ち、超ワイドギャップ (ultra-wide bandgap (UWBG))半導体とも言われており、パワーデバイス用途に期待されるだけでなく、高周波デバイス用途でも大きな期待を集めています。次世代の高周波通信周波数帯(Beyond 5G, 6G)として、テラヘルツ領域やミリ波領域で動作する電子デバイスの活用が期待される中、β-Ga₂O₃の物性評価が待たれている状態でした。中嶋准教授らは、β-Ga₂O₃の評価にテラヘルツ時間領域分光（THz-TDS）と呼ばれる非接触・非破壊の技術を使用し、バルク単結晶試料およびエピタキシャル膜のβ-Ga₂O₃のテラヘルツ領域での屈折率や誘電率という基本的な特性の評価を初めて実施することに成功しました(図1参照)。同時に、キャリア濃度、散乱時間・移動度、静的誘電率という電子デバイスに重要な特性値を計測することにも成功しました。このテラヘルツ時間領域分光法は、非接触・非破壊で屈折率等の情報を得るだけでなく、キャリア密度や散乱時間、移動度という電子デバイス動作のための重要なパラメータの評価が可能であることを実証し、β-Ga₂O₃半導体ウェーハの評価やβ-Ga₂O₃ベースのデバイス評価に非常に有効で実用的であることを示しました。

本研究成果は、日本時間2021年1月26日（火曜日）午前1時にApplied Physics Letters誌（アプライド・フィジックス・レターズ）のオンライン版で公開されました。

図1 テラヘルツ時間領域分光法による酸化ガリウムの「革新的な評価手法」のコンセプト。 従来の接触・汚染の避けられない電気的な半導体の評価手法に代わる革新的な手法が必要とされています。テラヘルツ波の半導体の特性評価への導入は次世代半導体デバイス開発を促進します。

テラヘルツ波(THz波)（およそ100 GHz ~ 10 THz）は、電波のマイクロ波と光の赤外領域の間に位置している電磁波です。100 GHzあたりの周波数はBeyond 5G・6Gとも言われる次世代の通信帯域であり超高周波領域に相当し、今後この周波数帯で動作する高周波半導体デバイスの開発が急務です。THz波が、半導体を透過することによる電磁波の波形の変化を直接観測することにより、その半導体の特性（屈折率や電気的な特性など）について様々な情報を得ることができ、この手法をテラヘルツ時間領域分光法(THz-TDS)といいます。大阪大学レーザー科学研究所の中嶋誠准教授らは、THz-TDS（日邦プレシジョン株式会社製「TeraProspector」を利用）により、半絶縁性β-Ga₂O₃(001)単結晶ウェーハ上に積層したホモエピタキシャル膜のテラヘルツ領域での応答すなわち超高周波領域の電磁応答に関する研究を進めてきました。β-Ga₂O₃は異方性結晶であり、その特性は結晶軸によって異なることから、測定は結晶軸（a軸およびb軸）に平行な2つの異なる方向（2つの光学軸）に沿って行い、その透過測定の結果から、THz領域における異なる軸の複素屈折率という基本的な物質特性を確定することに成功しました。

複素屈折率は物質がどれだけ電気的なエネルギーを蓄えることができるかを表す基本的な物質特性である誘電率と関係しています。THz-TDSを使うことにより、β-Ga₂O₃のパワーデバイス応用に有益なβ-Ga₂O₃のTHz領域の誘電率を確定しました。このTHz領域の誘電率は半絶縁性β-Ga₂O₃の単結晶を基板として積層したホモエピタキシャル膜の評価にも必要な情報になります。デバイスの製作において、半導体薄膜の電気特性はドーピング（不純物を意図的に加えること）によって調整します。したがって、ドープした膜の電気特性の評価は不可欠です。従来の電気特性を評価する技術としては、金属電極の作製が必要となるホール測定やしばしば有毒な水銀プローブを使用するCV（容量-電圧）測定が挙げられます。しかしながら、これらの技術は測定試料へのダメージや比較的時間のかかる測定であることから、急速なデバイス開発に対して実用的ではなくなりつつあります。したがって、THz-TDSという新規の速くて安心な半導体を評価する革新的な手法は、電極やプローブが不要な非接触で試料の質等を落とさない非破壊な測定法であることから、従来手法に代わる魅力的な手法です。

中嶋准教授らは、THz-TDS測定から実験的に得られた複素屈折率にドルーデ・ローレンツモデルを適用することにより、β-Ga₂O₃薄膜の電気特性を高い精度で測定することに成功しました。図2は、THz-TDSにより測定された半絶縁性β-Ga₂O₃単結晶(左図)と、シリコンドープされたn型β-Ga₂O₃エピタキシャル薄膜(右図)のテラヘルツ領域における複素屈折率スペクトルです。半絶縁性β-Ga₂O₃単結晶試料では、右肩上がりの屈折率スペクトルを示しており、これは赤外領域におけるフォノン吸収の影響が現れていることを示しています。n型β-Ga₂O₃エピタキシャル膜では、半絶縁性試料とことなり左肩あがりのスペクトルを示しています。この低周波数側での屈折率の増大は、β-Ga₂O₃中のキャリア密度量に依存した吸収が現れています。これらのスペクトルを評価することにより、キャリア密度やキャリアの散乱時間、移動度の情報を得ることができます。このようにTHz-TDS法により、超高周波領域であるテラヘルツ帯の複素屈折率スペクトルを得ることに成功しました。得られた特性の結果をテーブル１にまとめています。0.2 THzでの屈折率は3.165 (//a軸)、3.231(b軸)であることが明らかになりました。さらに、ドルーデ・ローレンツモデルによる解析より、静的誘電率は、10.02 (// a軸)、10.43 (// b軸)であることを確定することができた、n型β-Ga₂O₃エピタキシャル膜のキャリア密度4.6 x 10¹⁷ cm^-3、移動度 100 cm² V^-1 s^-1、抵抗率0.13 Ωcmを得ることができました。得られた薄膜のキャリア密度および抵抗率は従来手法であるホール測定の結果と同等の結果となりました。これらの結果はTHz-TDSがβ-Ga₂O₃の電気特性を評価する手法として従来手法に置き換え可能な信頼できる実用的な技術であることを示しています。

商業的な観点から、THz-TDSはデバイス品質を損なうことなくその電気特性を測定することができるより実用的な方法になります。また、THz-TDSは単結晶だけでなくエピタキシャル層や薄膜に適用可能であり、半導体評価に対して様々な可能性があります。このようなTHz-TDSは将来のパワーデバイス・高周波動作デバイスの急速な開発に向けたβ-Ga₂O₃の評価において、重要な役割を果たすことが期待されます。

図2 β-Ga₂O₃の各結晶軸に沿ったテラヘルツ領域の複素屈折率の周波数依存性 a軸に沿った複素屈折率（E//a）とb軸に沿った複素誘電率（E//b）の周波数依存性を半絶縁性 β-Ga₂O₃基板 (左図) とドープしたn型 β-Ga₂O₃ のエピタキシャル膜 (右図)で示しました。半絶縁性基板の周波数の増加に伴う屈折率と消光係数における緩やかな増加はより高い周波数に存在するフォノン吸収によるものです。エピ膜で見られる周波数の低下に伴う屈折率および消光係数の急速な立ち上がりは自由電子の効果によるものです。ドルーデ・ローレンツモデルによる解析結果を黒色の破線で示しています。β-Ga₂O₃は異方性結晶であることから、その複素屈折率はその異なる結晶軸の方向で違います。屈折率はb軸に沿ったものがa軸に沿ったものよりも高くなっています。エピ層については、低周波数領域における屈折率は自由電子の影響によって決まることから、2つの軸の異方性による差は相対的に小さいことが確認できました。β-Ga₂O₃の基本的な物質特性である複素屈折率を確定することに成功し、その変化より電気的特性(キャリア密度、散乱時間、抵抗率)を抽出可能です(次のテーブル１参照)。

表1 テラヘルツ時間領域分光法(THz-TDS)による 半絶縁性β-Ga₂O₃およびn型β-Ga₂O₃エピタキシャル膜の物性値とホール測定による電気特性 静的誘電率と複素屈折率はb軸に沿ったものの方がa軸に沿ったものよりも高くなることが確認できました。非接触方式のTHz-TDSで測定した電気特性は、従来手法である接触方式のVan der Pauw法を用いたホール測定と一致することが確認されました。

雑誌名： Applied Physics Letters（アプライド・フィジックス・レターズ）
論文タイトル：Anisotropic complex refractive index of β-Ga₂O₃ bulk and epilayer evaluated by terahertz time-domain spectroscopy
論文タイトル訳：　テラヘルツ時間領域分光法によるβ-Ga₂O₃の非等方的複素屈折率の計測
著者： : Verdad C. Agulto, Kazuhiro Toya, Thanh Nhat Khoa Phan, Valynn Katrine Mag-usara, Jiajun Li, Melvin John F. Empizo, Toshiyuki Iwamoto, Ken Goto, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, Nobuhiko Sarukura, Masashi Yoshimura, and Makoto Nakajima
著者（漢字表記）：Verdad C. Agulto（大阪大学）、遠矢雄浩（同）、Thanh Nhat Khoa Phan（同）、Valynn Katrine Mag-usara（同）、李佳俊（同）、Melvin John F. Empizo（同）、岩本敏志（日邦プレシジョン株式会社）、後藤健（東京農工大学）、村上尚（同）、熊谷義直（同）、猿倉信彦（大阪大学）、吉村政志（同）、中嶋誠（同）
DOI number: 10.1063/5.003153