局所電流注入による窒化物半導体の発光効率分布可視化手法の開発

III族窒化物半導体を用いた発光素子の中でも特にAlGaNをベースとした深紫外発光ダイオード(DUV-LED)は殺菌用紫外線光源として注目されているが、発光効率の低さが社会実装を妨げている。既存の手法では、電流注入動作時のLEDのミクロな発光効率分布を正確に評価できず、評価結果を素子設計と結晶成長条件へフィードバックすることが困難であることが一因であると考えられる。本研究は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いた局所電流注入型の顕微エレクトロルミネッセンス測定手法を確立し、DUV-LEDの電流注入動作時の発光効率分布を、電流密度分布の影響なく高空間分解能で可視化することを目的とする。2022年度は、昨年度設計し作製に着手した試料ホルダが完成し、関連する電気的・光学的計測器類と併せてAFMへの組み込みを実施した。AFM本来の試料ステージに対して重量のある試料ホルダを載せることでAFM形状像の劣化が懸念されたが、適切な走査条件においてノイズやドリフトのない良好な形状像の取得に成功した。p-GaN層に接触させたカンチレバーからDUV-LEDに対して電流注入を実施し、カンチレバーを定点接触させた状態で電流掃引にてダイオードライクなIVカーブの取得に成功した。並行して測定対象となるDUV-LEDの高品質化も実施した。本年度は活性層直下のn-AlGaNの表面平坦化に取り組み、ステップテラス構造の蛇行に起因するピット形成の抑制を達成しつつ導電率の向上も確認した。これまでにカソードルミネッセンスによってピットが暗点となることが確認されていたため、ピットの排除は転位等の結晶欠陥に由来する非発光再結合中心をより明瞭に可視化するうえで意義ある成果である。

III族窒化物半導体を用いた発光素子の中でも特にAlGaNをベースとした深紫外発光ダイオード(DUV-LED)は殺菌用紫外線光源として注目されているが、発光効率の低さが社会実装を妨げている。既存の手法では、電流注入動作時のLEDのミクロな発光効率分布を正確に評価できず、評価結果を素子設計と結晶成長条件へフィードバックすることが困難であることが一因であると考えられる。本研究は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いた局所電流注入型の顕微エレクトロルミネッセンス測定手法を確立し、DUV-LEDの電流注入動作時の発光効率分布を、電流密度分布の影響なく高空間分解能で可視化することを目的とする。2022年度は、昨年度設計し作製に着手した試料ホルダが完成し、関連する電気的・光学的計測器類と併せてAFMへの組み込みを実施した。AFM本来の試料ステージに対して重量のある試料ホルダを載せることでAFM形状像の劣化が懸念されたが、適切な走査条件においてノイズやドリフトのない良好な形状像の取得に成功した。p-GaN層に接触させたカンチレバーからDUV-LEDに対して電流注入を実施し、カンチレバーを定点接触させた状態で電流掃引にてダイオードライクなIVカーブの取得に成功した。並行して測定対象となるDUV-LEDの高品質化も実施した。本年度は活性層直下のn-AlGaNの表面平坦化に取り組み、ステップテラス構造の蛇行に起因するピット形成の抑制を達成しつつ導電率の向上も確認した。これまでにカソードルミネッセンスによってピットが暗点となることが確認されていたため、ピットの排除は転位等の結晶欠陥に由来する非発光再結合中心をより明瞭に可視化するうえで意義ある成果である。