GaNの「光り方」で品質が分かる？ 大阪大らが新たな評価法を開発：GaNデバイスの信頼性向上に寄与

大阪大学と住友化学は、炭素濃度が異なる複数の高純度GaN（窒化ガリウム）結晶について、全方位フォトルミネッセンス（ODPL）法を用い発光効率を測定した。GaNは含まれる炭素の割合が少ないほど、よく光る。しかし、炭素濃度が2.5億分の1以下では、「光りにくさ」の主な理由が炭素ではなく、「原子空孔」に変わることが分かった。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

炭素濃度が8.8億分の1以下というGaN結晶でも計測可能

　大阪大学と住友化学は2024年6月、炭素濃度が異なる複数の高純度GaN（窒化ガリウム）結晶について、全方位フォトルミネッセンス（ODPL）法を用い発光効率を測定した。GaNは含まれる炭素の割合が少ないほど、よく光る。しかし、炭素濃度が2.5億分の1以下では、「光りにくさ」の主な理由が炭素ではなく、「原子空孔」に変わることが分かった。

　GaNデバイスの性能を低下させる結晶欠陥の1つとして「炭素不純物」がある。GaN中に炭素が混入すると、GaNは「光りにくく」なるという。炭素不純物の濃度が低い場合でも、性能は低下する。そこで今回はODPL法を応用し、高純度（低炭素濃度）GaNにおける炭素不純物を、高感度かつ非破壊、非接触で検出することにした。

　この結果、炭素を含む割合が数億分の1（炭素濃度は10¹⁴cm^-3台前半）で変化しても、発光効率は高い感度で変化することが分かった。また、炭素濃度と非発光性再結合頻度の関係により、炭素を含む割合が2.5億分の1（炭素濃度は3.5×10¹⁴cm^-3）以下では、GaNにおける非発光（光りにくさ）の主な理由が炭素ではなく、原子空孔になることが判明したという。

　なお、ODPL法を用いると、炭素濃度が8.8億分の1以下という住友化学製の高純度GaN結晶であっても、炭素濃度を計測できるという。

左は照明および紫外線レーザー照射時の試料の写真。右は炭素濃度と発光効率の関係および、炭素濃度とキャリア再結合頻度の関係［クリックで拡大］ 出所：大阪大学

　今回の研究は、大阪大学大学院工学研究科の佐野昂志大学院生（博士前期課程）や市川修平准教授、小島一信教授が、住友化学の藤倉序章氏、今野泰一郎氏、金木奨太氏らと協力して行った。