InGaN/GaN単一量子井戸型構造の不安定点滅現象に関する研究

横浜市立大学大学院
生命ナノシステム科学研究科 物質システム科学専攻
藤井 祐輔

InGaN窒化物半導体とは?
• 信号機など、今や至るところで青色LEDを見かけることができるようになった。
• 青色LEDはInGaNという“窒化物半導体”という材料からできている。
• InGaNは構造欠陥が非常に多く含まれている。
（従来の半導体と比較して100万倍以上とされる）サファイア基板の利用による成長層との格子定数のズレ。
有機金属気相成長法による歪みが主な原因
しかしながら、高輝度かつ高寿命な発光をすることで注目を浴びている。

青の洞窟＠渋谷• 本研究のテーマである点滅現象はこの構造欠陥に由来する現象であると考えられる

点滅現象とはどのような現象か？
実際に観測される不安定点滅現象

選択励起蛍光顕微鏡

水銀ランプの波長とその強度

20μｍ

これは発光波長460nmの試料を利用水銀ランプの365nmのピークのみを取り出し、サンプルに当てている。

• 星の輝きのような点滅が数ミクロン単位でいくつも見られる。
• 内部に存在する多数の構造欠陥、貫通転移が原因とされているが、なぜ点滅が発生するか？明らかにされていない。

過去の研究事例（圧力依存性）
全体発光の圧力依存性

大気圧中では全体発光強度が低くなり、高真空中では高くなる傾向があった。

大気圧中では輝点が発生し、所々、光が揺らいでいる。

高真空中では輝点は存在せず、一様な発光を示す。
大気圧中（輝点発生）

高真空中（一様な発光）吸着物質の変化により、点滅現象に変化が生じているのではないか？と示唆された。

過去の研究事例（温度依存性）
全体発光の温度依存性（300K～320K)
点滅ではなく全体発光強度の変化を追っている
温度上昇につれて全体発光強度は上がる。
温度下降につれて全体発光強度は下がる。
（300K～320Kでのデータ）

点滅の数について変化しないと定性的に結論付けていた。（300K～320K）

定量的なデータはなく、温度変化による詳細な輝き方の変化は分かっていなかった。

本研究で行ったこと• 液体物の付着による点滅現象の変化を定量的に評価• 温度変化による点滅現象の変化（300K～373Kまで）を定量的に評価• 点滅点同士の相関性を定量的に評価

実験方法
主に2種類のInGaN SQWを利用した。

発光波長460nm

発光波長510nm

Inの量 少Inの量 多選択励起蛍光顕微鏡

試料構造
含まれるInの量で発光波長（色）が変わる。
•サファイア基板を利用している•

成長方法は有機金属気相成長法

試料の励起観察（録画）

解析動画データの分析手法 （強度の算出）
ピクセルの色はRed,Green,Blueの3つの成分で表現

強度の時系列データの算出
30fpsで録画（1秒間で30枚の静止画）

RG
B

𝑥2𝑦2

𝐼 𝑡 = ෍ ෍0

画素値

255• 画素値は色の濃淡や、明るさを表している。
• 本研究では3つの画素値の平均を光の強度とした。

𝑥=𝑥1 𝑦=𝑦1

𝑅 𝑥, 𝑦, 𝑡 + 𝐺 𝑥, 𝑦, 𝑡 + 𝐵(𝑥, 𝑦, 𝑡ሻ3 𝑥2 − 𝑥1 (𝑦2 − 𝑦1ሻ0 ≦ 𝐼 𝑡 ≦ 255

あらゆる統計分析（標準偏差、相関など）も可能となる。

液体の付着で点滅の挙動が変化した点滅現象を定量的にするために標準偏差マップを作成した。（１ピクセルごとの標準偏差）
標準偏差＝光のバラつきの大きさを示す統計的な値
水の付着そのままの状態50μｍ

エタノールの付着

50μｍ

50μｍ

輝点の瞬きが激しくなっていることが定量的にわかる。

液体の付着が内部の電子状態を変えていることが示唆される。(極性も影響してると考えられる）510nmでも全く同様な傾向が見られた

Water

50μｍ

Ethanol

50μｍ

50μｍ

不安定点滅現象の温度依存性
Excitationlight• ヒータの上に試料を乗せ、室温の300K、313K(40℃）、323K（50℃）と10Kずつ、373K（100℃）まで、点滅現象の変化を追ってみた。
InGaN/GaN SQWHeaterCryo-Con32
Temperature Controller• 試料を乗せたまま温度を上昇させ、温度コントローラーに表示される温度が一定になってから光励起を30秒間開始した。

温度上昇により点滅の激しさは和らいでいく
発光中心波長460nm

発光中心波長510nm• 低い温度領域では点滅が比較的発生しやすい。
• 温度上昇により点滅の激しさは和らぎ、点滅点そのものも減少する傾向が全体的にある。
• 最高温度の373Kにて、460nmの試料ではほとんどの点滅が消滅。510nmでは点滅し続ける輝点がまだ存在していた。

温度上昇

熱膨張による欠陥の増加（キャリアが欠陥にトラップされやすくなる）
光を放出する再結合を行わなくなる。（非輻射再結合を行う）

点滅にも輝き方が存在している。
標準偏差マップ上の輝点を拡大することで、光の強度の揺らぎ方を見ることができる。
揺らいでいる点を隈なく調べた結果、以下のような傾向があった。

２か所が大きく点滅

中心が全く変化しない

中心が大きく点滅している

一様な点滅

2領域の光学強度は時系列で負の相関を示している。
標準偏差マップから相関マップへの変換

光の強度の時系列データの相関

片方の光の強度が上がれば、もう片方は下がる現象が時系列で発生している。

発光再結合に寄与するキャリアの数が空間的に増減を繰り返している。

周囲に存在する他の点滅でも相関性が見られた。
標準偏差マップから相関マップへの変換

光の強度の時系列データの相関

1つの点滅だけでなく、他の点滅点でも相関性を示していることが分かる。
ほとんど全ての点滅が負の相関で点滅する2つの領域で構成されていることが分かった。
な点滅がいくつも存在特に激しく光が揺らいでいる部分の可視化（この4つは標準偏差マップ）

相関性を可視化したマップへ• 輝き方は異なるが、ほとんどすべての点滅は光学強度の時系列変化が負の相関である2つの領域で構成されていることが明らかになった。

2つの領域の光学強度の時系列データを追った
IntensityTime(s）• 片方の強度が上がれば、もう片方の強度が下がることが1フレーム毎（0.03秒毎）に発生している。
• 上の時系列データから、長い時間スケールで見ても片方が上がれば、片方が下がっている傾向が分かる。
空間的に異なる点滅点

ではどのような振る舞いを見せるか同時にplotした。

Intensity

まとめ• 液体が付着することで点滅が誘発される。液体の種類によっては挙動も大きく異なると考えられる。

• 高温であれば点滅の激しさは和らぎ、なおかつ点滅点が消滅していく傾向があった。

• 点滅は光の強度が負の相関である2つの領域で構成されており、空間的に異なる他の点滅点とも関係性が見られた。

InGaNのバンドギャップはVagard則で成立する
Vagard則E𝑔,𝐼𝑛𝐺𝑎𝑁 𝑥 = 𝑥𝐸𝑔,𝐼𝑛𝑁 + 1 − 𝑥 𝐸𝑔,𝐺𝑎𝑁 -𝑏𝑥 1 − 𝑥
3.4eV

365nm

点滅はInGaN層とGaN層の電子を励起させると発生する。
InGaN層のみの電子を励起させると発生しない（365nm以上）

𝑥 ∶ Inの組成割合（0～１） 𝐸𝑔,𝐼𝑛𝑁 : InNのバンドギャップ(0.7eV)
𝐸𝑔,𝐺𝑎𝑁 : GaNのバンドギャップ(3.4eV)
𝑏: ボーイングパラメーター（InGaNでは1とされる）
Inの組成割合𝑥に対するInGaNバンドギャップ値

ピエゾ電界による量子閉じ込めシュタルク効果

平成27年3月

山口大学大学院理工学研究科 古谷大士さんの博士論文より拝借•

正の電荷を持つGa及び、Inと負の電荷を持つNの分極のバランスが崩れることで発生する電界をピエゾ電界という。

•

ピエゾ電界により電子と正孔の重なり積分が減少し、発光再結合率も下がる。（量子閉じ込めシュタルク効果という。）上がったり下がったりを繰り返していることで、点滅になると自分は考えている。

点滅は量子閉じ込めシュタルク効果によって引き起こされている可能性が高い
実験で検証した結果

EgEg’(a)と(c)の実効的なバンドギャップは（c）のほうが低くなる（Eg＞Eg’）
バンドギャップが小さくなるので、光学強度が弱くなる時は、発光が長波長側にシフトすることが理論的に考えられる。

光学強度が強い時、発光は低波長側にシフト。
光学強度が弱い時、発光は長波長側にシフト。
理論と一致していることが分かる。
QCSEによって点滅現象が引き起こされている。
この信憑性は高い。

ピエゾ電界による量子閉じ込めシュタルク効果

上記の（a) (b) (c) が繰り返されることで点滅現象になるのではないか？

常に分極の変化によりピエゾ電界が増減していると考えている。

NU

本研究で利用している顕微鏡に搭載されているフィルター

435nm

546nm

365nm
405nm

312nm

334nm

350

577nm