ワイドギャップ半導体結晶における歪の高感度空間マッピング

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本研究では,可視〜紫外域発光素子,高パワー高周波デバイスなど次世代の高性能光・電子エレクトロニクス分野への多大な貢献が期待されている結晶材料であるGaNとZnOについて,基板材料との格子不整合に由来する歪のみならず,結晶のマクロ欠陥が引き起こす歪の空間分布を主に励起子の偏極度を通じて高感度2次元マッピングする計測手法を確立することを目的とした.具体的には,よく用いられる基板であるA面サファイア上に成長したGaN薄膜を試料として,スペクトル分解四光波混合法(FWM)による回折信号を,100ミクロン程度の空間分解能で取得した.FWMを用いる理由は,信号が励起子遷移の双極子モーメントの8乗に比例するため,微小な歪による励起子の偏極度変化が増幅されて検出できるためである.また種々の基板上に成長したGaN薄膜とバルク結晶について測定を行い、分裂エネルギーと強度比の相関から、検出された一軸歪の最小値として6H-SiC試料の結果を採用すると、10^<-5>のオーダーに達している。この値は一般的なX線回折装置で検出可能な最小歪量と同等であり、当初設定した目標値を達成した。対応する励起子の分裂エネルギーは100μeV、線形分光における強度比は1.1以下(FWM分光では強度比(1.1)^4〜1.5に増幅)に相当しており、通常の光学測定では有無を議論することの難しい歪検出を実現したことになる。また同一試料内での測定では、空間的に異なる歪の存在を明らかにすることができた。