大阪大学大学院工学研究科のAbdul Mannan（アブドゥル　マナン）さん（博士後期課程）、大阪大学レーザー科学研究所のBagsican Filchito Renee（バクシカン　フィルチト　レニ）特任研究員、山原滉太（やまはら　こうた）さん（当時：大阪大学大学院工学研究科博士前期課程修了）、村上博成（むらかみ　ひろなる）准教授、斗内政吉（とのうち　まさよし）教授および京都大学大学院 エネルギー科学研究科　川山巌（かわやま　いわお）准教授、独国・ブラウンシュヴァイク工科大学、ビーレフェルト大学の国際共同研究チームは、ワイドバンドギャップGaNとInGaNで構成する多重量子井戸構造半導体の光に対する複雑な応答を自由空間の放射されるテラヘルツ電磁波を用いて解明しました。またその超格子を保護するGaNキャップ層の厚さ分布をナノスケールの精度でイメージングできることを証明しました。これによりInGaN/GaN多重量子井戸構造を用いた光デバイス開発の加速が期待されます。

今回、フェムト秒レーザーを用いてInGaN/GaN多重量子井戸構造内に光電荷を生成すると、1）内部電界が遮蔽される時、2）歪が緩和されるときに音響フォノンが生成され格子振動の衝撃波となって、表面に到達した時、3）多重量子井戸がナノキャパシターの役割を果たして、井戸内で電荷が振動する時にテラヘルツ電磁波が励起され、自由空間から観測することで、複雑な超高速ダイナミクスの同時観測に成功しました。また、フォノンの伝搬時間を計測することで、デバイス作製に必要な保護膜（実験では180nm厚さのGaNキャップ層）の厚さのばらつきを10nmの精度で広くイメージングできることを証明しました。これにより、ワイドバンドギャップ半導体多重量子井戸構造を利用した光デバイスの開発に貢献することが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Advanced Optical Materials」に、5月4日（火）に公開されました。

DOI https://doi.org/10.1002/adom.202100258

図1. 歪緩和で温厚フォノン衝撃波が伝搬し、表面でテラヘルツ波に変換され外部に放射される。

ワイドバンドギャップ半導体InGaN/GaN多重量子井戸は、青色発光デバイスなどへの応用で広く研究されています。結晶内部で大きな歪による強い分極電界を内在し、光への応答が複雑であることがわかっています。また、表面には保護膜が形成されるため、その内部に埋め込まれたデバイスの物性を作製後に外部から観測することは困難です。

斗内教授らの研究グループでは、フェムト秒レーザーを、InGaN/GaN多重量子井戸構造を内部に有する試料表面から照射することで、InGaN 量子井戸層に電荷（電子と正孔）を励起することで誘起される様々な超高速現象を、テラヘルツ電磁波放射としてとらえ、その電磁波の解析により、複雑なダイナミクスを解明しました。その実験の手法を図2（左）に示します。InGaN/GaN多重量子井戸構造では、相互の強い歪に強い電界が内在しています。光が量子井戸に到達すると光電荷が生成されます。生成すると、1）内部電界が遮蔽される時、2）歪が緩和されるときに音響フォノンが生成され格子振動の衝撃波となって、表面に到達した時、3）多重量子井戸がナノキャパシターの役割を果たして、井戸内で電荷が振動する時にテラヘルツ電磁波が励起され、自由空間に放射されます。その電磁波の波形の例を図2（右）に示しています。この波形は、量子井戸構造や励起に使う光の波長に大きく依存し、それらのテラヘルツ電磁波の波形を計測することで、上記の複雑な超高速ダイナミクスが解明されました。

さらに電界遮蔽と音響フォノンによるテラヘルツ波放射の時間差を計測すると、表面に利用しているGaNの厚さが計測できます。図の例では、GaNキャップ層の音響フォノンの伝搬に約18ピコ秒要しています。この時間から厚さを算定すると、約180nmの層に対して、2次元的な厚さ分布を広い範囲で10nmの精度でイメージングが可能となります。

図2. InGaN/GaN構造の光励起によるテラヘルツ放射の様子（左）とその波形（右）。時間とともに様々に変化するテラヘルツ波放射が確認される。

本研究成果は、大阪大学レーザー科学研究所が長年、独自に開発してきたテラヘルツ放射顕微鏡を応用したもので、内部に埋もれたワイドギャップ半導体デバイスの高速電荷ダイナミクスを時空間で分析できることを証明しており、様々なデバイス開発における性能向上研究に貢献することが期待されます。また、保護層の厚さを広範囲で10nm精度で分析できることは、デバイス実用化レベルでの工程管理応用も期待されます。

本研究成果は、2021年5月4日（火）に米国科学誌「Advanced Optical Materials」（オンライン）に掲載されました。
DOI https://doi.org/10.1002/adom.202100258
タイトル：“Ultrafast terahertz nano-seismology of GaInN/GaN multiple quantum wells”
著者名：Abdul Mannan, Filchito Renee G. Bagsican, Kota Yamahara, Iwao Kawayama, Hironaru Murakami, Heiko Bremers, Uwe Rossow, Andreas Hangleiter, Dmitry Turchinovich and Masayoshi Tonouchi (Advanced Optical Materials 2021, 2100258.)

なお、本研究は、科学研究費補助金（JP18KK0140、JP18K18861、JP19K15047）、JSPS Core-to-Core Program, and Program for Promoting International Joint Research、およびEU FET Open Project EXTREME-IR, （Grant Number 964735）の支援にて実施されました。

斗内政吉教授 研究者総覧URL
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/fb47c8560ec00fa7.html