大阪大学レーザー科学研究所の中嶋誠准教授、Agulto, Verdad C. (アグルト, ヴァーダッド C.)特任研究員、Mag-usara, Valynn K. (マグウサラ, ヴァリン K.)特任研究員、吉村政志教授、日邦プレシジョン株式会社の岩本敏志博士、大阪大学大学院工学研究科の森勇介教授、今西正幸准教授らの研究グループは、キャリア濃度が10²⁰ cm^-3に達する窒化ガリウム（GaN）ウエハのキャリア濃度および移動度を非接触・非破壊の手法で評価することに成功しました。

窒化ガリウム（GaN）は、5G機器はもちろん様々なパワーエレクトロニクス機器において、現在、技術的に最も重要な半導体の1つであり、100GHz以上で動作する未来の6G機器に対する代表的な候補材料でもあります。半導体機器の応用において、非常に高いキャリア濃度の半導体に対する需要は増加しています。半導体物質の物性（キャリア濃度や移動度）はデバイスの性能を決定付ける主要な要因です。そのため、その装置開発に用いられる半導体のキャリア濃度と移動度を正確に評価することは重要になります。

大阪大学レーザー科学研究所の研究グループは日邦プレシジョン(株)との共同研究において、テラヘルツ時間領域エリプソメトリと呼ばれる光学技術を約10²⁰cm^-3の高いキャリア濃度のGaN半導体の評価に対して有効であることを実証しました。試料のGaN結晶は、高品質のGaN結晶を作り出すNa-flux法由来の大阪大学大学院工学研究科で開発されたpoint-seed技術と呼ばれる結晶成長法によって作成したものを用いました。

本研究成果は、日本時間2021 年9 月15日（水曜日）午後6時に英国学術雑誌 Scientific Reports 誌（サイエンティフィック・レポーツ）のオンライン版で公開されました。

窒化ガリウム（GaN）は最も技術的に重要な半導体であり、多くの光エレクトロニクスやパワーデバイスの基本的な部材のうちの1つです。低抵抗GaNウエハの需要は高く、高電圧で高周波数の応用に対して不可欠な縦型GaNパワーデバイスの性能を向上させるために活発に研究開発が行われています。GaNデバイスの開発では、特に、1019cm-3かそれ以上のキャリア濃度に対する電気特性の非破壊検査は強く望まれています。

図1. テラヘルツエリプソメトリによる半導体評価のイメージ。 斜入射の直線偏光のテラヘルツパルスが半導体によって、異なる偏光成分がそれぞれ違うように反射され、楕円偏光になっている様子を表しています。このリファレンスを必要としないテラヘルツ波（THz波）を用いた非破壊の手法により、高キャリア濃度の半導体評価が可能になりました。

大阪大学レーザー科学研究所の中嶋誠准教授らの研究グループは日邦プレシジョン(株)と共同でテラヘルツ波による半導体の非破壊評価において測定可能なキャリア濃度領域を広げる技術を開発しました。

半導体の非破壊検査におけるテラヘルツ波の利用は継続的に拡大しています。テラヘルツ波（THz波）は、電磁波の一部で、波長で3mmから30μmまで、周波数で100GHzから10THzまでのものを呼びます。物質内の自由電子がテラヘルツ波を吸収するため、テラヘルツ波を使って半導体の電気特性を見積もることができます。

テラヘルツ時間領域エリプソメトリでは、直線偏光のテラヘルツ波パルスを試料に入射し、時間の関数として反射したテラヘルツ波の電場強度を測定します。具体的には、入射面に平行な方向(p)と垂直な方向(s)に偏光した反射波に着目し、このp-およびs-偏光成分の割合からキャリア濃度および移動度の評価を可能とする誘電率を取得します。さらにこの手法はテラヘルツ時間領域分光法と違いリファレンス測定が不要という大きな利点もあります。

大阪大学レーザー科学研究所の研究者らとの共同研究によって日邦プレシジョン(株)で開発されたテラヘルツ時間領域エリプソメータであるTera Evaluator®を用いてGaN半導体の評価を行いました。その装置は偏光子-試料-検光子という光学配置を用い、検光子の角度を0°から360°まで15°ステップで変えながら波形を取得します。このマルチアングル技術はテラヘルツ時間領域エリプソメトリに新たに導入され、検出されるテラヘルツ電場の強度と位相からシステムエラーを取り除くことにより、誘電率を精度良く測定することを実現しました。この結果、特に、非常に高い伝導率の半導体に対して、優れた精度でキャリア濃度および移動度の決定が可能になることを示しました。この技術によって、測定可能範囲は約10²⁰-10²¹cm^-3にまで広がりました。この装置はテラヘルツ波が透過しない物質でさえも、誘電率を精度良く測定するとともに、本手法は物質内の自由電子を反映したテラヘルツ領域の誘電率から伝導特性を評価することから、GaNだけでなく、SiCや他の半導体の評価にも有効です。

本研究は、経済産業省 戦略的基盤技術高度化支援事業 JPJ005698の支援のもとで行われました。

雑誌名： Scientific Reports 論文タイトル：Terahertz time-domain ellipsometry with high precision for the evaluation of GaN crystals with carrier densities up to 10²⁰cm^-3
論文タイトル訳：　高精度のテラヘルツ時間領域エリプソメトリによる10²⁰cm^-3におよぶキャリア密度を持つGaN結晶の評価
著者： : Verdad C. Agulto, Toshiyuki Iwamoto, Hideaki Kitahara, Kazuhiro Toya, Valynn Katrine Mag-usara, Masayuki Imanishi, Yusuke Mori, Masashi Yoshimura, and Makoto Nakajima
著者（漢字表記）：Verdad C. Agulto（大阪大学レーザー科学研究所）、岩本敏志（日邦プレシジョン株式会社）、北原英明（大阪大学レーザー科学研究所）、遠矢雄浩（大阪大学大学院工学研究科電気電子情報工学専攻博士前期課程）、Valynn Katrine Mag-usara（同レーザー科学研究所）、今西正幸（大阪大学大学院工学研究科）、森勇介（同）、吉村政志（同レーザー科学研究所）、中嶋誠（同）
DOI number: 10.1038/s41598-021-97253-z
発表者：
中嶋 誠 (大阪大学レーザー科学研究所 准教授)
Agulto, Verdad C. (大阪大学大学院工学研究科 特任研究員)
岩本 敏志 (日邦プレシジョン株式会社)
Mag-usara, Valynn Katrine (大阪大学レーザー科学研究所 特任研究員)
吉村　政志（大阪大学レーザー科学研究所　教授）
今西　正幸（大阪大学大学院工学研究科　准教授）
森　勇介（大阪大学大学院工学研究科　教授）