非極性面上窒化アルミニウムガリウム系半導体結晶の高品質化と物性制御

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AlGaN系半導体は、深紫外発光デバイス用材料として注目を集めている。一般に、量子井戸をはじめとするヘテロ構造を作製する際には、臨界膜厚を考慮した構造設計が必要になる。そこで今年度は、AlGaN/AlNヘテロ構造における臨界膜厚の評価手法の開拓とともに格子不整転位の導入機構の解明に取り組んだ。従来、ヘテロ構造作製時の格子緩和の有無を評価する手法として、X線回折測定が利用されてきた。しかしながら、X線回折測定により評価されるAlGaN/AlNヘテロ構造の臨界膜厚は、理論的に予測される膜厚よりも一桁程度大きく、計算結果とは著しい解離があった。そこで、本研究ではX線回折測定による格子定数評価よりも精度の高い評価手法として、時間分解フォトルミネッセンス測定に着目し、光学測定を通じて格子不整合転位の導入の有無を精密に評価することが可能であることを明らかにした。また、極性面基板の微小なオフ角により生じる結晶すべりを計算に取り入れるとともに、非極性基板の各成長面における支配的な結晶すべり機構を考察した。この結果により、任意の成長面に対して、理論的に臨界膜厚を予測する手法を確立し、実験結果をよく再現することを確認した。この成果は、AlGaN系量子井戸の設計に大きく貢献するだけでなく、ウルツ鉱構造を有するあらゆる材料系に対して適用可能な理論計算であり、材料系を超えた普遍的な臨界膜厚の予測に貢献するものであると考えられる。